UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL LAZIO MERIDIONALE. Energia eolica
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1 UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL LAZIO MERIDIONALE Energia eolica
2 L'energia eolica Intensità e direzione del vento dipendono da un gran numero di fattori sia su scala locale che planetaria: l inclinazione dell asse terrestre e la rivoluzione intorno al sole che spostano stagionalmente le fasce di maggiore insolazione tra i due tropici; la non omogeneità della superficie terrestre (oceani, terre, deserti, ghiacciai, etc.) in termini di capacità di assorbimento e scambio del calore solare; l alternarsi dell irraggiamento solare dovuto alla rotazione della Terra. Aria calda Aria fredda Bassa pressione Alta pressione
3 Venti globali Sulla superficie terrestre si determinano queste situazioni: una fascia di bassa pressione all equatore; zone di alta pressione lungo le due fasce sub-tropicali; zone di bassa pressione lungo le due fasce sub-polari; zone di alta pressione alle calotte polari alta pressione bassa pressione Tropico alta pressione Equatore bassa pressione alta pressione Tropico bassa pressione alta pressione
4 Venti terrestri I venti terrestri sono quelli che si sviluppano a bassa quota e sono generati dalle differenze di capacità termica ed influenzati dall'intensità della radiazione solare e dalla presenza di asperità ed ostacoli. L'esempio più tipico di vento terrestre è la brezza: le masse terrestri, durante il giorno, si riscaldano molto più velocemente di quelle del mare, e si genera, quindi, la brezza di mare, mentre di notte si raffreddano più velocemente, e si genera, quindi, la brezza di terra.
5 Influenza dei rilievi La velocità del vento varia con l'altezza perché il terreno, con le sue asperità rallenta l'aria rispetto alla corrente indisturbata ad altezza opportuna. In presenza di un rilievo la velocità del vento immediatamente a monte e a valle risulta notevolmente inferiore (0-40%) alla velocità del flusso indisturbato, mentre in corrispondenza della cresta risulta superiore del 50-80% rispetto alla velocità del vento misurata a livello del suolo a sufficiente distanza dal rilievo stesso. A causa dell'aumento di velocità del vento indotto dalla presenza dei rilievi collinari si preferisce installare le turbine eoliche sulla cresta delle colline piuttosto che nelle vallate.
6 La potenza del vento La potenza di una corrente d'aria teoricamente intercettabile da una girante è data dal prodotto della portata: m = π D ρ u 4 per l'energia cinetica specifica: 1 e c = u u c e quindi risulta proporzionale al quadrato del raggio della girante ed al cubo della velocità del vento: P tot = π D ρ u 3 8 Un errore sulla misura della velocità del 10% comporta un errore sul calcolo della potenza, e quindi dell'energia producibile, del 33%. Al fine di contenere gli errori entro valori dell'ordine del 3% è necessario disporre di anemometri con tolleranze di misura inferiori all'1%.
7 La misura della velocità del vento Una stazione anemometrica effettua misurazioni di velocità e di direzione del vento, consentendo di ricavare statistiche essenziali per scelta dei siti. Un errore di misura della velocità del 10% comporta un errore sulla potenza e quindi sull energia del 33%. Per rilevare la velocità del vento si usa l anemometro, solitamente del classico tipo a coppa la cui velocità di rotazione è legata alla velocità del vento. Gli anemometri utilizzati per rilevare la velocità del vento eseguono campionamenti con frequenza dell'ordine di 1 Hz. Dai dati raccolti si può poi calcolare il valore medio su 5 o 10 minuti, orario, giornaliero, mensile e annuale, nonché i rispettivi valori massimi all'interno di ciascun intervallo. Altre tipologie di anemometri: ultrasuoni o laser (misurano la velocità del vento in relazione al grado di riflessione della luce operato dalle molecole d'aria). Hot wire anemometer: valutazione della velocità del vento in funzione della differenza di temperatura a monte e a valle di un filo riscaldato dal passaggio di una corrente.
8 Distribuzione della velocità del vento ni ui u = N frequenza (ore/anno) j I dati raccolti vengono elaborati per ottenere un diagramma della distribuzione di velocità del vento e della distribuzione cumulativa di velocità del vento. Le misure ottenute, ovvero i valori mediati su un intervallo di tempo di 10 minuti (che rappresenta lo standard comunemente utilizzato anche nelle curve di prestazione delle turbine eoliche fornite dai costruttori), si organizzano in classi di velocità ("bins") di data ampiezza. Ogni classe è definita da un valore medio delle velocità u i al quale è associato il corrispondente numero di ore/anno ni di persistenza della velocità del vento all'interno della classe. Questa distribuzione di velocità del vento 1600 presenta un valore massimo localizzato in corrispondenza di velocità del vento 1000 prossime a quella media: con N numero di ore annuali (8760) velocità del vento (m/s) Distribuzione di frequenza della velocità del vento
9 Distribuzione di frequenza della velocità del vento Il precedente grafico può anche essere interpretato come distribuzione della frequenza della velocità del vento: frequenza relativa j 0.18 ni f i= N r 1. frequenza cumulativa relativa velocità del vento (m/s) 1 Sommando le frequenze delle classi fino ad una data velocità del vento si ottiene invece la distribuzione della frequenza cumulativa della velocità del vento che rappresenta la quota di ore/anno durante le quali la velocità è inferiore o uguale alla velocità che caratterizza la classe stessa: velocità del vento (m/s) j j 1 F j = ni = f i N 1 1
10 Distribuzione di Weibull (frequenza cumulativa) Per rappresentare la distribuzione di frequenza delle velocità del vento viene abitualmente utilizzata la distribuzione di Weibull. A e k sono due parametri che vengono calcolati mediante regressione dei valori misurati. F=1 e u A k ( ) A è un parametro di scala dipendente dalla velocità media del vento generalmente dato da: u A= 0,9 K è un parametro di forma solitamente compreso fra 1,5 e,5. Il valore è considerato un un valore tipico di riferimento ed in tal caso la distribuzione di frequenza prende il nome di distribuzione di Rayleigh ed è ampiamente utilizzata come distribuzione di riferimento dai costruttori delle turbine eoliche.
11 Distribuzione di Weibull (frequenza relativa) Derivando la funzione F che rappresenta la distribuzione di frequenza cumulativa si ricava la distribuzione di frequenza relativa f che, al pari quella misurata, non è simmetrica, perché i venti forti sono più rari dei venti moderati. f= df k u = du A A k 1 ( )( ) e u A k ( ) A=0.9 um k= val. rif. Funzione di Weibull al variare della velocità media (90% A)
12 Potenza estratta Si consideri una corrente d'aria sul cui percorso sia posto un aerogeneratore. Siano 1 e le sezioni di ingresso e di uscita di un tubo di flusso nelle quali si possa assumere che la corrente d'aria sia indisturbata (p1=p). Si assumano trascurabili le variazioni di temperatura (T1=T) e di densità (ρ1= ρ) e non vi siano scambi di calore (q=0) e variazioni di energia potenziale (z1=z). L'equazione di conservazione dell'energia per un tale sistema aperto è: p1 u1 p u +g z q= + g z + +l ρ1 ρ Per le ipotesi precedenti, integrando tra ingresso ed uscita si ha: u1 u l= Da cui si ha: u1 u P= m
13 Portata Dall'equazione di continuità, risulta: m =ρ1 A 1 u1 =ρ A u =ρ A u La potenza è anche esprimibile come prodotto della forza F che il fluido esercita sulla girante per la velocità di attraversamento: P=F u Per il principio di azione e reazione, F è uguale in modulo e direzione (ed opposta in verso) alla risultante R delle forze che agiscono sul fluido, la quale è data alla variazione della quantità di moto del fluido stesso: R= m (u u1 ) Pertanto: u 1 u P= m = m (u1 u ) u u1 +u u= u1 +u m =ρ A
14 Limite di Betz Quindi la potenza meccanica estratta è: u1 +u u1 u P=l m =ρ A Si definisce coefficiente di potenza il rapporto tra la potenza estratta e quella disponibile ed indicando con χ il rapporto tra le velocità finale ed iniziale si ha: cp= P 1 = (1+χ) (1 χ ) P tot c P (1+χ) (1 3 χ) = =0 χ si ottiene: 1 χ opt = 3 η c P, max =0,596 0,8 Il rendimento è, tuttavia, superiore poiché, a causa della variazione di sezione del tubo di flusso, la potenza disponibile all'ingresso è inferiore a quella teorica: u1 +u u1 P 1 =ρ A η=1 χ 1 e ponendo uguale a zero la derivata: 0,6 cp 0,4 0, 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 1
15 Profilo a resistenza Considerando un profilo che si muove a velocità vp sotto la spinta di una corrente d'aria, la forza esercitata da quest'ultima risulta: D w D=C D ρ A in cui CD è il coefficiente di resistenza e w la velocità relativa. Detto λ il rapporto tra la velocità istantanea del profilo e la velocità del vento, la velocità relativa è data da: w=u (1 λ) e la potenza trasferita dal vento al profilo è: 0,16 1 P=D v p = C D ρ A u3 λ (1 λ) P C P= =C D λ (1 λ) P tot 0,1 0,1 CP/CD e si ottiene: 0,14 0,08 0,06 C P,max = 0,04 0,0 4 C 7 D 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 1
16 Profilo alare: resistenza e portanza Per un profilo alare che si muove a velocità vp sotto la spinta di una corrente d'aria in direzione ortogonale, la distribuzione di velocità sulla sua superficie risulta asimmetrica essendo maggiore all'estradosso. Si determina, quindi, una distribuzione di pressione asimmetrica, con valori maggiori sull'intradosso, che genera una forza F scomponibile in un termine D di resistenza, lungo la direzione della velocità relativa, ed un termine L di portanza, lungo la direzione ortogonale. w D=C D ρ A w L=C L ρ A con CL coefficiente di portanza. w w w
17 Profilo alare: potenza La componente della forza F in direzione della velocità del profilo è data da: w w w T = L cos β D sin β=ρ A (C L cosβ C D sin β) con: w= u =u 1+λ cosβ e la potenza trasferita dal vento al profilo è: 1 P=T v P = (C L C D λ) ρ u3 A λ 1+λ 1,6 60 1,4 50 CL 1, 40 CP/CD 1 e si ottiene: 0,8 P C P= =(C L C D λ) λ 1+λ P tot 0,6 0,4 CD , Angolo di attacco
18 Profilo alare in schiera Passando dal singolo profilo alare ad un rotore caratterizzato da un dato numero di pale, il coefficiente di potenza (CPR) risulta influenzato da vari fattori. Detto λ il rapporto tra la velocità all apice della pala e la velocità del vento, per bassi valori di λ le dissipazioni di energia sono basse, ma le pale captano solo una piccola quota dell'energia cinetica del vento, essendo gran parte di essa posseduta dal flusso che passa fra una pala e l'altra poiché il rotore ruota lentamente rispetto alla velocità del vento. Per elevati valori di λ le pale risultano in grado di intercettare gran parte dell'energia cinetica a disposizione, ma in tale situazione risultano anche molto elevate le dissipazioni di energia a causa dell'elevata velocità di rotazione. Ne segue che ciascun rotore sia ottimizzato per un ben determinato valore di λ. Per mantenere costante il CPR entro un certo campo di velocità è necessario ricorrere a sistemi che consentano di variare la geometria della pala (come avviene nelle macchine di minore taglia e nelle macchine meno recenti) oppure variare la velocità di rotazione.
19 La curva di funzionamento della macchina
20 Regolazione La tecnica di regolazione della potenza varia a seconda della tipologia e della taglia della macchina. Per turbine di piccola taglia (nonché in quelle di meno recente concezione) la regolazione avviene per stallo: la macchina, incluso il generatore elettrico, è dimensionata per la massima potenza ottenibile con pale fisse e a velocità di rotazione costante. In tal modo la macchina si regola automaticamente da sola in quanto per velocità del vento superiori a quella nominale la progressiva insorgenza dello stallo provoca la riduzione del CPR. Per turbine di maggiore taglia o più recenti si fa variare l angolo di calettamento delle pale (angolo di pitch), cioè l angolo formato dalla velocità di trascinamento (vp) e dalla corda del profilo. All aumentare di tale angolo, che deve deve aumentare con la velocità del vento u al fine di poter mantenere costante l angolo di attacco, aumenta il passo palare e la curva del CPR si presenta traslata verso minori valori di λ e con minori valori massimi del CPR.
21 I tipi di aerogeneratori
22 Confronto tra coefficienti di potenza
23 Potenza e coppia A parità di velocità di rotazione, le macchine con poche pale sono ottimizzate per elevati valori di ovvero per velocità del vento non troppo elevate, anche se sono caratterizzate da difficoltà di spunto a causa della bassa coppia. Viceversa, le macchine multipala sono in grado di spuntare anche in presenza di velocità del vento molto basse, anche se per velocità maggiori producono minori potenze. La soluzione universalmente adottata è quella tripala che rappresenta il migliore compromesso sia dal punto di vista delle prestazioni sia dal punto di vista dell'equilibrio delle forze.
24 L'aerogeneratore
25 V kw Curva di potenza 700 Potenza (kw) densità dell aria 1,5 kg/m3 velocità media di 7 m/s resa energetica annua: 1890 MWh ,5 10 Velocità del vento (m/sec.) 0 Resa energetica annua Velocità media 10 m/s Velocità media 9 m/s Velocità media 8 m/s Velocità media 7 m/s Velocità media 6 m/s kwh kwh kwh kwh kwh Calcoli effettuati in base alla curva di distribuzione di Weibull con C= e altezza mozzo = 45 metri
26 Potenza eolica installata (MW) al 01 Trentino Alto Adige 3 Valle d'aosta 3 Veneto 1 Piemonte 13 Liguria 47 Toscana 84 Emilia Romagna 16 Umbria Abruzzo 36 Molise 37 Lazio 51 Campania 108 Sardegna 1015 Puglia 199 Basilicata 360 Calabria 996 Sicilia 1746
27 Risorse eoliche in mare aperto in Europa Dati Vestas
28 Impatto ambientale Lo sfruttamento dell'energia eolica non genera, ovviamente, né emissione di sostanze inquinanti, né emissione di sostanze climalteranti. L'impatto ambientale consiste in: occupazione del territorio; impatto visivo; interferenze con la flora e la fauna; emissioni elettromagnetiche; emissioni acustiche. Il territorio richiesto è dell'ordine di 100 m/kw, ma la superficie occupata per le infrastrutture (essenzialmente strade di accesso e piazzole degli aerogeneratori) è dell'ordine di 3 m/kw. L'impatto visivo è assolutamente soggettivo, mentre le interferenze con la flora e la fauna sono poco significative. Le emissioni elettromagnetiche possono generare interferenze con il sistema delle telecomunicazioni. L'impatto acustico è significativo a breve distanza dalle macchine, mentre si abbassa al di sotto del rumore di fondo a distanza di qualche centinaio di metri o per velocità del vento superiori a 10 m/s.
29 L'impatto acustico db(a) Turbina V kw V kw Dati Vestas ,4 37,9 Distanza (m) ,7 44,4 43, 44, ,5 47,0
30 Qualità della potenza (turbina Vestas di media taglia) Variazione della velocità del vento 5 Velocità del vento (m/s),5 0 17,5 15 1, Time Variazione dell'angolo del passo rispetto al cambio della velocità del vento 18 Pitch Angel ( ) Time Numero di giri del generatore rispetto alla variazione della velocità del vento rpm Tempo Potenza erogata (kw) 800 kw Tempo
31 Il costo dell elettricità Gas 3, Euro cent per kwh (1.) Nucleare 6,6 Euro cent kwh (1.) Fotovoltaico 36,1 Euro cent kwh (1.) Eolico 4,8 Euro cent per kwh (1.) Carbone 3,7 Euro cent per kwh (.) 1. Tratto da Fuel fallout The Guardian Newspaper February, 000. Tasso d cambio 0.6 GBP = 1. Stimato da Vestas
32 Effetto dei costi ambientali Stima dei costi di produzione elettricità esclusi i costi ambientali Gas Carbone Energia eolica 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Euro / kwh Stima dei costi di produzione elettricità inclusi i costi ambientali Gas Carbone Energia eolica 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Euro / kwh
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