L'energia eolica è il prodotto della conversione

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1 L'energia eolica è il prodotto della conversione dell' energia cinetica del vento in altre forme di energia. Attualmente viene per lo più convertita in elettrica tramite una centrale eolica, mentre in passato l'energia del vento veniva utilizzata immediatamente sul posto come energia motrice per applicazioni industriali e preindustriali. Prima tra tutte le energie rinnovabili per il rapporto costo/produzione, è stata anche la prima fonte energetica rinnovabile usata dall'uomo. Il suo sfruttamento, relativamente semplice e poco costoso, è attuato tramite macchine eoliche divisibili in due gruppi ben distinti in funzione del tipo di modulo base adoperato definito generatore eolico: Generatori eolici ad asse verticale Generatori eolici ad asse orizzontale Essa è pensata tenendo presente sia una produzione centralizzata in impianti da porre in luoghi alti e ventilati, sia un eventuale decentramento energetico, per il quale ogni Comune ha impianti di piccola taglia, composti da un numero esiguo di pale (1-3 turbine da 3-4 megawatt) con le quali genera in loco l'energia consumata dai suoi abitanti. Il tempo di installazione di un impianto è molto breve; fatti i rilievi sul campo per misurare la velocità del vento e la potenza elettrica producibile, si tratta di trasportare le pale eoliche e fermarle nel terreno. Il tempo di progettazione e costruzione di altre centrali ( idroelettriche, termoelettriche,etc.) è superiore a 4 anni. Nonostante le intenzioni siano le migliori, la mancanza di una legge quadro o di un testo unico sulle energie eoliche, diversamente dal solare, è considerata una delle cause della lenta diffusione della tecnologia rispetto all'estero. Benché l'eolico sia l'energia meno costosa, non è né massicciamente richiesto dai produttori elettrici che potrebbero rivenderlo al costo del kwh attuale con maggiori profitti, né è la prima quantità d'energia ad essere venduta nella Borsa elettrica che pur abbina domanda e offerta di energia in base al prezzo del kwh elettrico (l'eolico, avendo il prezzo per kwh più basso e conveniente, dovrebbe collocarsi subito).

2 Costi dell'eolico [ modifica] Grazie ai recenti sviluppi tecnologici l'energia eolica inizia ad essere economicamente vantaggiosa. Il costo di installazione è relativamente basso (circa 1,5 per Watt, se raffrontato ad altre tecnologie come ad esempio il fotovoltaico (circa 5 per Watt). Al 2004, secondo l' International Energy Agency, il costo medio di produzione dell'energia eolica sarebbe compreso tra 0,04-0,08 /k Wh, anche se stime più recenti indicherebbero un costo ancora inferiore che farebbe presupporre nel breve termine un costo di 0,03 /kwh del tutto concorrenziale rispetto ai costi dell'energia generata da fonti convenzionali (negli ultimi dieci anni la riduzione del costo di produzione di energia da fonti eoliche si è attestata sul 30%-50% e si prevede che la tendenza rimanga costante). Impianti Attualmente il costo di installazione in Italia, facendo riferimento ad impianti con una potenza nominale superiore ai 600 kw, varia tra gli 850 e i 1300 /kw, il prezzo ovviamente varia secondo la complessità dell'orografia del terreno in cui l'impianto vada installato. Detto questo una centrale di 10 MW, allacciata quindi alla rete in AT, costerebbe tra gli 8 e i 13 milioni di euro, mentre per una centrale allacciata alla rete di MT (3-4 MW) il costo si comprime tra 0,9 e 1,2 milioni di Euro al MW. Gli unici capitoli di spesa totale riguardano solamente l'installazione e la manutenzione, essendo la fonte produttrice di energia (il vento) gratis. In relazione alla superficie occupata, una centrale eolica non toglie la possibilità di continuare le precedenti attività su quel terreno (tipo pastorizia ecc...). In alcuni paesi come la Danimarca la corrente prodotta con questo sistema ha raggiunto lo straordinario obiettivo del 23% del fabbisogno nazionale. Altri stati all'avanguardia sono la Spagna 9% e la Germania 7%. L' Italia invece è settima nella classifica delle nazioni con le maggiori capacità installate. Tra il 2000 e il 2006, la capacità mondiale installata è quadruplicata.

3 Piccolo eolico, minieolico e microeolico Per " minieolico" si intendono piccoli impianti che utilizzo generatori di altezza inferiore a 30 metri, da installare in parchi o spiagge di fattorie, villaggi o ville. Per questi impianti casalinghi il prezzo di installazione risulta più elevato, attestandosi attorno ai al kw, questo perché il mercato di questo tipo di impianti è ancora poco sviluppato, anche a causa delle normative che, a differenza degli impianti fotovoltaici, in quasi tutta Europa ne disincentivano l'uso, sulla scia di un pensiero diffuso soprattutto nei decenni passati, che vedeva nelle turbine eoliche grossi problemi di impatto paesaggistico Turbina a vento Savonius La turbina a vento di Savonius è un tipo di turbina a vento ad asse verticate, utilizzata per la conversione di coppia dell'energia del vento su un albero rotante. Inventata dall'ingegnere finlandese Sigurd J Savonius nel 1922, e brevettata nel 1929, è una delle turbine più semplici

4 Le turbine ad asse verticale sono, alle attuali conoscenze, le più antiche concepite dall'uomo che le utilizzava in Mesopotamia fin dall' inizio delle civiltà in quell' area, sopratutto per irrigare. Negli ultimi anni stanno risvegliando l'interesse di alcune aziende e gruppi di ricercatori. I principali vantaggi dell'asse verticale sono: il costante funzionamento indipendentemente dalla direzione del vento,la migliore resistenza anche alle alte velocità dei venti e alla loro turbolenza.

5 Particolare impianto eolico ad asse verticale con una originale soluzione per attenuare la resistenza nell'azione controvento adottando delle semipale mobili che si aprono nella fase passiva e si presentano chiuse nella fase attiva. Il sistema potrebbe avere problemi quando da fermo si deve mettere in moto per il sopraggiungere del vento se lo stesso dovesse arrivare da un quadrante diverso Il progetto è opera di un gruppo di tecnici spagnoli, il concetto può essere adattato ad applicazioni idroelettriche però il gran numero di parti mobili ne limita probabilmente l'affidabilità sopratutto se utilizzato come turbina idroelettrica. Rotore Savonius Rotore Savonius, il più semplice degli aerogeneratori ad asse verticale, la sua semplicità concettuale lo rende particolarmente adatto all' autocostruzione. I rotori Savonius possono prevedere un sistema con paravento, concettualmente è semplice ed è evidente la potenziale efficienza data dalla protezione della parte passiva del rotore, questo però comporta la necessità di dover orientare perfettamente la turbina rispetto alla direzione del vento annullando in pratica uno dei maggiori vantaggi delle turbine ad asse verticale. Rotore Windside Un aerogeneratore ad asse verticale innovativo è quello proposto dalla Winside, una società finlandese. Questa tecnologia, relativamente nuova, è molto promettente, con rese superiori all'eolico tradizionale (ad asse orizzontale) anche del 30-50%, adatta sopratutto per impianti di potenza media e piccola.

6 Turbine ad asse orizzontale sono utilizzati i rotori ad elica sopratutto per grandi sistemi e rotori multipala per sistemi da pochi kw di potenza. Mulino Cretese E' il tipo più semplice, economico e sicuro. Il rotore è costituito da 8 o più braccia, tra le quali vengono tesi, per mezzo di cavi dei triangoli di stoffa. La superficie di questi ultimi può essere aumentata o ridotta a seconda dell'intensità del vento. I cavi hanno anche la funzione di irrigidire la struttura. Poiché tutta la struttura è elastica e flessibile, possiede una parziale autoregolazione, in quanto la pressione del vento sulle vele le deforma, modificando la loro superficie esposta, e ciò viene ottenuto

7 arrotolando la tela sui sostegni. La torre di sostegno può essere in muratura o con traliccio di legno o metallico. I mulini di questo tipo vengono usati nella maggioranza dei casi per pompare acqua, ma alcuni esemplari autocostruiti sono stati utilizzati per produrre elettricità con un alternatore accoppiato a ingranaggi e rinvii opportuni (difficilmente superano i 50 giri/min). Ciò è dovuto ad una alta solidity ( ) e ad un rapporto ottimale u/v tra i più bassi (0.75). Non richiede dunque alte velocità del vento; infatti già con u=3 m/s fornisce una coppia elevata. Turbina Multipala Il suo rotore è costituito da un alto numero di pale in lamiera metallica, generalmente 18 o più, disposte a raggiera su un mozzo e ad angolo rispetto al piano di rotazione, come una grande ventola. Il diametro medio è di circa metri. La rotazione dell'asse viene trasformata in moto alternativo per mezzo di un albero a gomito, oppure rinviata alla base del traliccio tramite una coppia di ingranaggi conici. Questo tipo di mulini viene utilizzato nella grande maggioranza dei casi per pompare acqua dai pozzi. Il rotore è rigido e la sua superficie ed inclinazione non possono essere variate al variare della forza del vento; infatti oltre ad una certa velocità deve essere fermato manualmente oppure piegato in modo da disporre il rotore parallelo alla direzione del vento. Il grande numero di pale comporta una solidità elevata, per cui si ha una coppia molto alta anche a basso numero di giri; è sufficiente un vento debole per far lavorare il rotore in condizioni ottimali. Le pale sono leggermente incurvate e con angolo di calettamento variabile dal mozzo all'estremità. Per micro-generatori si possono utilizzare un numero inferiore di pale sagomate. Turbina ad Elica

8 La pala dell'elica, come un'ala sottile offre una resistenza minima all'avanzamento, non crea turbolenze pericolose, ha una portanza elevata: tutto ciò si traduce in un alto coefficiente di potenza e in velocità di rotazione molto alte (alcuni rotori hanno eliche con velocità periferiche vicine a quelle del suono). In conseguenza dell'alta velocità di rotazione tipica di queste macchine è possibile accoppiare dei generatori di elettricità, direttamente o con ingranaggi molto modesti, evitando che la gran parte della potenza estratta sia dissipata in trasmissioni complicate caratterizzate da elevati rapporti di trasmissione. L'elica, per poter avere un rendimento costante ed elevato, deve sempre potersi orientare nel vento. I metodi utilizzati sono due: con un timone di opportune dimensioni che orienta tutto il complesso (elica controvento o upwind ), oppure, ponendo l'elica posteriormente al complesso generatoreperno di rotazione e utilizzando la coppia giroscopica del motore stesso per orientare il mulino (elica sottovento o down-wind). L'elica ha un profilo aerodinamico facilmente ricavabile da libri e pubblicazioni molto diffuse; in pratica per applicazioni modeste vengono impiegati profili standard.

9 Con l'espressione eolico off-shore si intendono gli impianti installati ad alcune miglia dalla costa di mari o laghi, per meglio utilizzare la forte esposizione alle correnti di queste zone. In questo senso, la Spagna ha avviato uno studio di fattibilità della durata di un anno sull'intero territorio nazionale, per determinare le aree maggiormente ventilate e con continuità, e quindi i siti candidati all'installazione di centrali di taglia medio-grande. La Spagna ha esteso le misurazioni mediante centraline fisse e mobili anche a tutta la costa, oltre che a zone collinari e di montagna, scegliendo di battere la strada dell'eolico off-shore. Dopo aver diffuso microimpianti nelle singole abitazioni, e un decentramento energetico, ora punta a realizzare pochi impianti centralizzati per la produzione di alcuni gigawatt ciascuno. Ad Havsui, in Norvegia, sorgerà il più grande impianto eolico al mondo, che dovrà fornire 1,5 Gigawatt di potenza elettrica. Si tratta di un eolico off-shore. Il governo Inglese sembra intenzionato a presentare un progetto per realizzare un'estesa serie di generatori offshore in grado entro il 2020 di produrre abbastanza corrente elettrica da alimentare le utenze domestiche del Regno Unito. Il piano prevede impianti per 20 GWatt che si aggiungeranno agli 8 GWatt di impianti già deliberati. Nel 2008 il Fondo di Inversioni della Corona Britannica, che possiede le aree marittine della Gran Bretagna, fino a ~20 km dalla costa, con il programma Clipper's Britannia Project, ha deciso di investire in giganteschi aerogeneratori off-shore, di potenza superiore ai 5 Mw/h.

10 Dimensioni e componenti delle macchine Dal punto di vista delle dimensioni, le macchine si suddividono in: macchine di piccola taglia (potenza kw; diametro rotore 3-20 metri; altezza mozzo metri); macchine di media taglia (potenza kw; diametro rotore metri; altezza mozzo metri); macchine di grande taglia (potenza kw; diametro rotore metri; altezza mozzo metri). Il Rotore Il rotore è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale che possono ruotare ad una velocità superiore ai 200 chilometri orari. Le pale più utilizzate sono realizzate in fibra di vetro. I rotori a due pale sono meno costosi e girano a velocità più elevate. Sono però più rumorosi e vibrano di più di quelli a tre pale. Tra i due la resa energetica è quasi equivalente. Sono stati realizzati anche rotori con una sola pala, equilibrata da un contrappeso. A parità di condizioni, questi rotori sono ancor più veloci dei bipala, ma hanno rese energetiche leggermente inferiori. Ci sono anche rotori con numerose pale, di solito 24, che vengono impiegati per l azionamento diretto di macchine, come le pompe. Sono stati messi a punto dei rotori con pale mobili. Variando l inclinazione delle pale al variare della velocità del vento è possibile mantenere costante la quantità di elettricità prodotta dall aerogeneratore. Il sitema frenante

11 È costituito da due sistemi indipendenti di arresto dell pale: un sistema di frenaggio aerodinamico e uno meccanico. Il primo viene utilizzato per controllare la potenza dell aerogeneratore, come freno di emergenza in caso si sovravelocità del vento e per arrestare il rotore. Il secondo viene utilizzato per completare l arresto del rotore e come freno di stazionamento. La torre e le fondamenta La torre sostiene la navicella e il rotore, può essere a forma tubolare o a traliccio. In genere è costruita in legno, in cemento armato, in acciaio o con fibre sintetiche. La struttura dell aerogeneratore per poter resistere alle oscillazioni ed alle vibrazioni causate dalla pressione del vento deve essere ancorata al terreno mediante fondamenta. Le fondamenta molto spesso sono completamente interrate e costruite con cemento armato. Il moltiplicatore di giri Il moltiplicatore di giri serve per trasformare la rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce in grado di far funzionare il generatore di elettricità. Il generatore Il generatore trasforma l energia meccanica in energia elettrica. La potenza del generatore viene indicata in chilowatt (kw). Il sistema di controllo Il funzionamento di un aerogeneratore è gestito da un sistema di controllo che svolge due diverse funzioni. Gestisce, automaticamente e non, l aerogeneratore nelle diverse operazioni di lavoro e aziona il dispositivo di sicurezza che blocca il funzionamento dell aerogeneratore in caso di malfunzionamento e di sovraccarico dovuto ad eccessiva velocità del vento. La navicella e il sistema di imbardata La navicella è una cabina in cui sono ubicati tutti i componenti di un aerogeneratore, ad eccezione, naturalmente, del rotore e del mozzo. La navicella è posizionata sulla cima della torre e può girare di 180 sul proprio asse. Per assicurare sempre il massimo rendimento dell aerogeneratore è importante mantenere un allineamento più continuo possibile tra l asse del rotore e la direzione del vento. Negli aerogeneratori di media e grossa taglia, l allineamento è garantito da un servomeccanismo, detto sistema di imbardata, mentre nei piccoli aerogeneratori è sufficiente l impiego di una pinna direzionale. Nel sistema di imbardata un sensore, la banderuola, indica lo scostamento dell asse della direzione del vento e aziona un motore che riallinea la navicella.

12 Schema di utilizzazione dell'energia prodotta Batterie Nei sistemi isolati è necessaria una batteria per immagazzinare l'energia in modo da poterla fornire in modo costante nel tempo. Le batteria inoltre regola il voltaggio del sistema che altrimenti varierebbe in modo accentuato con la velocità del vento, danneggiando così il sistema. Volendo ridurre l'investimento iniziale si possono usare le batterie per auto o moto, ma sul lungo periodo è conveniente usare batterie di capacità maggiore. Le batterie per auto inoltre sono progettate per essere scaricate solo parzialmente per cui non sono molto adatte allo scopo. Controller di carica Serve a prevenire il danneggiamento delle batterie. Se la batteria è già carica ed il vento soffia ancora in maniera molto forte, il controller devia il flusso della corrente su degli elementi che possano disperdere energia, ad esempio delle lampadine o delle resistenze termiche. N.B. I controller per i sistemi fotovoltaici non sono adatti per la regolazione dei sistemi eolici, in quanto essi disconnettono il collegamento tra il generatore ed il carico, consentendo al sistema di raggiungere il fuorigiri. Utenze V Nella comune rete elettrica circola corrente alternata che ha standard diversi nei vari Paesi ( V, Hz). La maggior parte dei generatori eolici produce corrente alternata non standard che viene poi trasformata in corrente continua prima di raggiungere le batterie. La corrente continua deve essere poi trasformata in corrente alternata rispondente agli standard per mezzo di un inverter.

13 Gli svantaggi della soluzione a corrente alternata sono: Costo dell'inverter e sua possibilità di guasto Richieste di maggiori precauzioni a causa dell'elevato potenziale Perdite nella conversione da continua ad alternata nell'inverter Vantaggi: Molti dispositivi studiati per la corrente continua Minori perdite per effetto Joule (riscaldamento) lungo i cavi Utenze 12 V I vantaggi della soluzione a corrente continua sono associati al fatto che: La corrente in uscita dalle batterie è in continua. Svantaggi: Pochi dispositivi funzionano a 12 V (se non quelli appositamente progettati per l'utilizzo su barche o auto). Grandi perdite a parità di potenza trasmessa, rispetto a sistemi a più alto voltaggio. Rotore e generatore ROTORE In genere si usano soluzioni a due o tre pale. Un numero elevato di pale è in grado di fornire una coppia maggiore al generatore, ma d'altra parte la velocità raggiungibile dal rotore potrebbe essere insufficiente per generare il voltaggio necessario. Le pale devono essere ben bilanciate per evitare fenomeni di vibrazione e di eccessiva fatica dei materiali. GENERATORE Il generatore a magnete permanente (PMG) consente di estrarre la massima potenza dal rotore che gira a basse velocità conciliando la semplicità di costruzione (e quindi i bassi costi) con la migliore efficienza nel caso di utilizzo per piccoli impianti. Si può rappresentare schematicamente il PMG nel modo seguente: Il magnete permanente, al centro, ruota in modo solidale alle pale magnetizzando successivamente con il polo positivo e negativo gli induttori. La corrente generata è quindi alternata trifase. La corrente alternata trifase (AC) deve essere convertita in corrente continua (DC) perché possa essere fornita alla batteria; il raddrizzatore permette questa trasformazione. Il generatore deve essere sempre connesso al carico (batteria ed utenze), per evitare che il rotore raggiunga una velocità di rotazione troppo elevata. E' necessario prevedere un sistema frenante che agisca nei casi di forte vento.

14 La Legge di Betz riflette una teoria per le macchine a fluido sviluppata da Albert Betz. Essa mostra la massima energia possibile conosciuta come Limite di Betz che si potrebbe ricavare tramite un rotore infinitamente sottile da un fluido scorrente ad una certa velocita'. Al fine di calcolare l'efficienza massima di un rotore sottile, lo si immagini sostituito da un disco che spilli energia dal fluido che vi passa attraverso. Ad una certa distanza dietro questo disco, il fluido che vi è passato attraverso fluisce con una velocita' ridotta. Schema di un flusso di fluido attraverso un attuatore. Ipotesi 1. Il rotore non possiede mozzo, ossia e' un rotore ideale, con un infinito numero di pale e con attrito pari a 0. Ogni attrito risultante può essere solo inferiore di questo valore ideale. 2. Il flusso all'entrata e all'uscita del rotore ha un moto assiale. Questo tipo di approccio e' a volume di controllo, e per ricavare una soluzione il volume di controllo deve contenere tutto il fluido entrante e uscente, in considerazione delle equazioni di conservazione. 3. Il fluido è incomprimibile. La densità rimane costante, e non vi e' trasferimento di calore dal rotore al fluido e viceversa Applicazione della Conservazione della Massa (Equazione di Continuità) Applicando la conservazione della massa a questo volume di controllo, il tasso di massa fluida (ossia la massa fluente per unita' di tempo) e' data da: dove v 1 e' la velocità davanti il rotore, v 2 e' la velocità alle spalle del rotore, e v e' la velocità all'altezza del dispositivo. ρ e' la densità del fluido, e l'area della turbina e' data da S. La forza esercitata dal vento sul rotore può essere scritta come

15 Potenza e Lavoro Il lavoro fatto dalla forza può essere scritto incrementalmente come e la Potenza contenuta nel vento e' Ora sostituendo la forza F calcolata in precedenza nell'equazione della potenza, sarà disponibile la potenza che può essere estratta dal vento disponibile: Comunque, la potenza può essere calcolata in un'altro modo: usando l'energia cinetica. Applicando la l'equazione di conservazione dell'energia al volume di controllo otteniamo

16 Tornando all'equazione di continuità, una sostituzione per il tasso di massa fluida ottiene il seguente Entrambe queste espressioni per il calcolo della potenza sono valide: una di queste deriva dall'analisi del lavoro incrementale eseguito, e l'altra dalla conservazione dell'energia. Risolvendo queste due espressioni, otteniamo un risultato interessante Esaminando le due espressioni equivalenti, principalmente oppure Pertanto, la velocità del vento al rotore può essere considerata come una media delle velocità del settore a monte e di quello a valle, a condizione che essi non abbiano velocità uguali (nel qual caso non viene estratta potenza). Questo e' spesso considerato il punto di più difficile accettazione della Legge di Betz ma, come si può vedere dalla dimostrazione sovrastante, e' in realtà corretto. Legge di Betz e C (Coefficiente di Prestazione) p Tornando all'espressione precedente della Potenza basata sull'energia cinetica:

17 . L'asse orizzontale rappresenta il rapporto, l'asse verticale è il "coefficiente di prestazione" C p. Differenziando (attraverso un'accurata applicazione della regola della catena rispetto a per una data velocità del fluido v 1 e una data area S una volta trovato il massimo o il minimo valore per. Il risultato è che ottiene il massimo valore quando. Sostituendo questi risultati in:. La frazione di lavoro ottenibile da un cilindro di fluido con area S e velocità v 1 è:. Il "coefficiente di prestazione" C p (= ) ha il suo massimo valore di: C p.max = = (o 59.3%; comunque i coefficienti di prestazione sono solitamente espressi come decimali, non come percentuale).

18 Le perdite del rotore in un mulino a vento, per esempio, sono le più significative. E', comunque, importante ridurle il più possibile. I rotori moderni ammettono valori di C p nell'intervallo da 0.4 a 0.5, che è il 70-80% di quello teoricamente possibile. Punti di Interesse Notare che la precedente analisi non è dipendente dalla geometria, pertanto S potrebbe assumere qualsiasi forma a condizione che il flusso attraversi assialmente dall'ingresso al volume di controllo di uscita, e il controllo del volume è uniforme per le velocità di ingresso e di uscita. Notare che ogni effetto estraneo può solo decrementare la performance della turbina poiché l'analisi è stata effettuata ignorando l'attrito. Ogni effetto non ideale andrebbe a detrarsi dall'energia disponibile dal fluido in ingresso, diminuendo l'efficienza. Ci sono state diverse argomentazioni su questo limite e gli effetti degli ugelli, e c'è una netta difficoltà quando si considerano i dispositivi di potenza che utilizzano più area di cattura dell'area del rotore. Alcuni produttori e inventori hanno creduto di superare il limite di Betz facendo questo ma, in realtà, le loro ipotesi iniziali erano sbagliate,dato che si sta utilizzando una A 1 sostanzialmente maggiore dell'area del rotore, e questo apporta squilibrio al numero di efficienza. In realtà, il rotore è efficiente come potrebbe esserlo senza ugelli o dispositivi di cattura, ma aggiungendo questi dispositivi che si aumenta la potenza estraibile dal vento a monte del rotore. Osservazione: Se usiamo la seguente media delle velocità Vavg=2/(1/V1+1/V2)=2*V1*V2/(V1+V2) Al posto di Vavg=(V1+V2)/2 poiché V2=0 allora Vavg=0 per qualunque valore di V1 (impatto senza movimento). Il calcolo è molto semplice e da una riduzione del 50% della produzione

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