Corso di Energetica A.A. 2013/2014

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1 Corso di Energetica A.A. 2013/2014 Energia Eolica Parte Prima Prof. Ing. Renato Ricci Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche Università Politecnica delle Marche 1

2 La produzione di energia dal vento nella storia B.C.: Prima Testimonianza Storica Il primo reperto archeologico di mulino a vento è stato identificato in Mesopotamia (Iran-Iraq). Da fonti storiche sembrerebbe che il re di Babilonia Hammurabi tento di utilizzare il vento per l irrigazione dei campi mediante generatori ad asse verticale, che avevano deflettori mobili. 700 A.D.: Il Mulino a Vento Persiano Documenti certi mostrano che già in epoca persiana vennero introdotti sistemi eolici per la macinatura del mais, il pompaggio dell acqua ed il raffreddamento delle case. Questo tipo di generatori era ad asse verticale e sostanzialmente basato sulla resistenza aerodinamica di vele rettangolari. Dai reperti pervenuti, è possibile notare come non fosse possibile orientare il sistema eolico con la direzione del vento; il funzionamento era infatti garantito solo nelle situazioni in cui il vento giungeva in direzione allineata con l apertura della camera di contenimento della girante. Nel caso della macinatura, alla base della girante era collegata una macina in pietra. Questa tipologia di mulino fu largamente utilizzata nell Asia centrale ed orientale, sino alla Cina e all India. Pag. 2

3 La produzione di energia dal vento nella storia : Cina Una prima rappresentazione di generatore eolico utilizzato in Cina per il pompaggio di acqua e la macinatura del grano, risale a Yehlu Chhu-Tshai nel Analogamente ai mulini persiani, quelli cinesi erano ad asse verticale, ma in aggiunta avevano la possibilità di regolare la posizione delle vele in relazione alla direzione del vento. Successivamente si hanno notizie e rappresentazioni di mulini ad asse orizzontale usati per il pompaggio dell acqua. 1270: Post Mill (Mulino a Palo). Le prime informazioni di mulini a vento in Europa risalgono al La configurazione dei Post Mill prevedeva lo sviluppo della struttura del mulino attorno ad un singolo albero centrale che consentiva la rotazione di tutto l insieme. Per garantire l allineamento alla direzione del vento il mugnaio si occupava di girare la struttura mediante una lunga asta di comando. Nella struttura, il moto rotatorio dell albero orizzontale della girante veniva convertito da ingranaggi in legno per ottenere il moto rotatorio dell albero verticale che trascinava le macine di pietra. Pag. 3

4 La produzione di energia dal vento nella storia secolo: Smock Mill (Mulino a Grembiule) Successivo al Post Mill è lo Smock Mill, che si diffuse principalmente in Olanda. Il corpo principale in legno era fisso rispetto al suolo ed accoglieva al suo interno i macchinari per la macinatura. La parte superiore del mulino, in cui si trovava la girante, era invece svincolata dal corpo principale per consentire l allineamento al vento. Questa scelta progettuale consentì di realizzare mulini più larghi ed alti, con la conseguente possibilità di avere pale più lunghe. Tower Mill (Mulino a Torre) Alla fine del 14 secolo lo Smock Mill venne sostituito dal mulino a torre, che aveva la struttura principale in mattoni invece che in legno. Il vantaggio della struttura in mattoni era chiaramente legato alla maggiore solidità, che consentiva strutture più imponenti, giranti più grandi e la possibilità di suddividere l interno del mulino in più piani destinati a vari usi. Erano quindi previsti il locale per la macinatura, quello per la rimozione della pula ed il magazzino. Alcuni di questi mulini sono in uso ancora oggi. Pag. 4

5 La produzione di energia dal vento nella storia : Generazione elettrica da turbina eolica; James Blyth. La prima turbina eolica utilizzata per la produzione di energia elettrica fu progettata a Glasgow dal Prof. James Blyth. Essa era un generatore eolico ad asse verticale avente un diametro di 17 metri. Le pale erano superfici concave funzionanti a resistenza. 1888: Produzione elettrica su larga scala - Charles Brush Il primo tentativo di produrre energia elettrica su una larga importante è attribuito a Charles Brush nel 1887 in Ohio, USA. La turbina eolica era ad asse orizzontale, con un rotore di 17 metri di diametro, ed un hub a 18 metri di altezza. La solidità del rotore era molto elevata e la potenza nominale era di 12 kw. La produzione elettrica era destinata ad autoconsumo ed al caricamento di batterie. Pag. 5

6 La produzione di energia dal vento nella storia : Primi accorgimenti aerodinamici - Poul La Cour Poul La Cour fu il primo a sviluppare i generatori eolici introducendo i primi principi di sviluppo aerodinamico. La Cour (Danese) fu uno dei pionieri della moderna aerodinamica e condusse molti dei suoi studi in una propria galleria del vento. La Cour si dedico al problema dell immagazzinamento dell energia elettrica, convertendo l elettricità prodotta dalla turbina in idrogeno mediante elettrolisi. Tra il 1891 ed il 1918 costruì più di 100 generatori eolici con taglie comprese fra 20 e 35 kw. 1920: La Teoria del Disco Attuatore di Betz 1931: La turbina Darrieus Nel 1931 l ingegnere aeronautico francese Georges Jean Marie Darrieus costruì e brevettò la turbina eolica Darrieus. La turbina eolica è di tipo ad asse verticale, è utilizzata largamente anche oggi e si basa sullo sfruttamento della portanza alare. Pag. 6

7 La produzione di energia dal vento nella storia : Prima Turbina Eolica Multi-Megawatt Nel 1941 Smith-Putman realizzò la prima turbina eolica multimegawatt al mondo. La sua potenza nominale era di 1.25 MW, era ad asse orizzontale, aveva due pale centinate per un diametro di 54 m, un altezza di 37 m e un rotore di tipo downwind. La turbina era connessa ad un generatore elettrico sincrono e l angolo di pitch delle pale veniva variato per mantenere costante la velocità di rotazione. Per problemi meccanici ad una pala, la turbina lavorò solamente 1100 ore; alla rottura infatti non venne riparata per la scarsità di materiali durante la seconda guerra mondiale. Ci vollero 40 anni per vedere una turbina eolica di potenza maggiore. Pag. 7

8 La produzione di energia dal vento nella storia : Inversione del senso di rotazione A partire dal 1978, per uniformare la percezione delle turbine eoliche, si inizio a produrre le turbine ad asse orizzontale con un moto orario anziché antiorario. 1980: Il primo parco eolico Il primo parco eolico risale al 1980, nel sud del New Hampshire (USA) ed era costituito da 20 macchine con potenza nominale di 30 kw Anni 90: Diffusione delle turbine multi megawatt A partire dai primi anni novanta la riduzione dei costi delle turbine multimegawatt rese più competitive queste macchine che iniziarono a diffondersi in Olanda, Germania e Danimarca. 2008: Realizzazione della turbina su terra più grande (7 MW) Nel 2008 la Enercon ha costruito la più grande turbina eolica su terra: la E-126, con 7.5 Megawatt di potenza nominale, un altezza dell hub di 135 m ed un rotore di 127 m. 2011: Installazione della turbina offshore più grande (5 MW) Il 22 marzo 2011 è stata installata presso la Ormonde Offshore Wind Farm, nei mari irlandesi, la turbina Repower 5M da 5 Megawatt. Il rotore ha un diametro di 126 m, un hub a 100 m e una velocità di rotazione fra 7.7 e 12.1 RPM. 2012: Realizzazione del prototipo offshore più grande (7 MW) La Vestas realizza il primo prototipo della turbina offshore V164 da 7 MW. La turbina ha un diametro del rotore di 164 m, una velocità di avvio di 4 m/s, una velocità di rotazione nominale di 10.5 RPM ed un peso della pala di 35 tonnellate. L inizio della produzione è previsto per il : Realizzazione del prototipo onshore più grande (8 MW) Vestas ha annunciato il funzionamento del prototipo V MW on-shore presso il sito di prova danese Danish National Test Center for Large Wind Turbines ad Østerild. La turbina è dotata di una torre di sostegno da 140 m di altezza. Pag. 8

9 Classificazione dei Generatori Eolici Generatori Eolici Azione Aerodinamica Taglia Resistenza Portanza Micro Mini Maxi Orientamento Asse Orizzontale Verticale Solidità Piano Rotorico Controllo Tubo Flusso Sito Alta Upwind RPM Libero Onshore Bassa Downwind Pitch Intubato Offshore Pag. 9

10 Classificazione dei Generatori Eolici Taglia Micro Mini Maxi La classificazione di un generatore eolico in relazione alla sua taglia può essere fatta sulla base delle normative IEC 61400, relativamente alle problematiche di progettazione e scelta delle macchine per dato sito, oppure sulla base di considerazioni legislative, per quel che riguarda gli iter autorizzativi dell impianto eolico. Le norme IEC definiscono aerogeneratori di piccola taglia i sistemi, aventi area del rotore inferiore ai 200 mq, che convertono energia cinetica del vento in energia elettrica. Le turbine con area superiore ai 200 mq (un diametro di circa 16 m per una turbina tripala ad asse orizzontale) devono essere progettate secondo le norme IEC ; le turbine sotto tale soglia seguono la procedura descritta nella IEC e nel caso l area del rotore sia inferiore a 2 mq (un diametro di circa 1.6 m) le prescrizioni si semplificano escludendo il palo di supporto dalla progettazione. Pag. 10

11 Classificazione dei Generatori Eolici Azione Aerodinamica Resistenza Portanza Una macro-divisione può essere fatta sulla base dell azione aerodinamica che viene principalmente sfruttata dal sistema eolico. Si possono distinguere i generatori a resistenza, come ad esempio il Savonius e quelli a portanza come i tipici aerogeneratori tripala usati nella produzione elettrica multi-megawatt. L azione di resistenza è sostanzialmente associata alla resistenza di forma (pressione) che un oggetto evidenzia una volta investito da un flusso; essa è dovuta ad importanti fenomeni di separazione del flusso. L azione di portanza deriva invece dalla curvatura che un oggetto aerodinamico induce alle linee di flusso ed agli effetti di depressione che si innescano a bilanciamento delle forze centrifughe nelle traiettorie curvilinee dei volumi di fluido. Le azioni di portanza, per un profilo alare lontano dallo stallo, sono decisamente più importanti rispetto a quelle di resistenza ed un loro sfruttamento consente di ottenere prestazioni dell aerogeneratore più significative. Pag. 11

12 La classificazione in relazione all orientamento dell asse di rotazione prescinde dal fatto che l aerogeneratore lavori principalmente a portanza o a resistenza. Questa suddivisione si sofferma infatti solo sull orientazione dell asse di rotazione della parte captativa del vento in relazione al suolo. I tipici generatori ad asse verticale sono i Savonius e/o i Darrieus, mentre nella categoria ad asse orizzontale troviamo i tipici generatori tripala utilizzati nella produzione di energia elettrica su vasta scala. L orientamento dell asse di rotazione è importante soprattutto nell ottica dell integrazione architettonica della risorsa eolica; nell esempio riportato accanto, di un palo di illuminazione pubblica alimentato da fonti rinnovabili, lo sviluppo verticale dell elemento architettonico, tipico degli arredi urbani, si fonde con degli aerogeneratori ad asse verticale. L orientamento verticale dell asse induce inoltre una sostanziale indipendenza dalla direzione del vento. D altra parte i generatori tripala ad asse orizzontale offrono coefficienti di potenza decisamente più elevati e maggiormente adatti ad una produzione di energia elettrica. Classificazione dei Generatori Eolici Orientamento Asse Orizzontale Verticale Pag. 12

13 Classificazione dei Generatori Eolici Solidità Alta Bassa La solidità del generatore eolico esprime il rapporto fra la proiezione frontale dell area del rotore e l area spazzata dallo stesso. Esistono legami diretti fra la solidità di un aerogeneratore e la capacità di produzione, che verranno approfonditi nel proseguo. Tipici esempi di generatori ad elevata solidità sono i multipala americani, normalmente utilizzati in accoppiamento a pompe idrauliche per la captazione di acque profonde; ciò grazie all elevata coppia meccanica che sono in grado di generare a basse velocità di rotazione. Generatori a bassa solidità sono invece i tripala, che ruotano a velocità maggiori ed offrono maggiori attitudini alla produzione di energia elettrica da riversare in rete. Pag. 13

14 Classificazione dei Generatori Eolici Piano Rotorico Upwind Downwind I generatori eolici possono avere il piano rotorico posto a valle o a monte della navicella (HUB della macchina) in relazione alla direzione del vento incidente. La soluzione maggiormente utilizzata è quella di tipo upwind, in cui il piano rotorico si trova a monte della navicella e quindi viene investito prima dal flusso d aria. La soluzione downwind presenta invece il piano rotorico a valle della navicella; questa posizione, che comporta un maggior disturbo del flusso incidente sul rotore a causa della scia della navicella e della torre di sostegno, ha il vantaggio di essere auto-allineante rispetto alla direzione del vento. Pag. 14

15 Classificazione dei Generatori Eolici Tubo Flusso Libero Intubato Una possibile suddivisione per gli aerogeneratori è legata al confinamento del tubo di flusso attorno al rotore. I generatori maggiormente diffusi hanno il tubo di flusso libero ed in grado di espandersi nella fase di avvicinamento, attraversamento ed allontanamento dal piano rotorico per la necessità di conservare la portata massica elaborata. I generatori intubati hanno invece una carenatura attorno all asse del rotore che consente un convogliamento del flusso da elaborare verso le pale. I secondi hanno chiaramente una maggiore difficoltà realizzativa ed un impatto visivo non trascurabile. Pag. 15

16 Classificazione dei Generatori Eolici Controllo RPM Pitch Sito Onshore Offshore La classificazione sul controllo delle macchine eoliche distingue fra controllo sui giri, fissi o variabili, e sull angolo di attacco delle pale, fisso o variabile. La soluzione più semplice è quella a giri fissi ed angolo pale bloccato, mentre quella più complessa prevede sia i giri variabili che la possibilità di modifica dell angolo di attacco delle pale. La scelta fra le varie tipologie è legata sia a considerazioni economiche che alla scelta del generatore elettrico. Un ultima classificazione dei generatori eolici può essere fatta sulla base della loro destinazione di installazione. Si possono infatti avere macchine destinate ad installazioni su terra ferma (onshore) e macchine destinate ad installazioni in mare (offshore). Le due tipologie si differenziano per i tipi di fondazione, per le taglie di potenza, per le classi IEC di appartenenza, per le caratteristiche costruttive. Pag. 16