L ENERGIA EOLICA L ENERGIA EOLICA

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1 A. Gasparella L ENERGIA EOLICA Si tratta di una fonte rinnovabile che trae origine dai movimenti delle masse atmosferiche: è in effetti una forma di energia legata all irraggiamento solare che raggiunge il nostro pianeta. Circa il 2% dell energia solare che raggiunge la terra è convertita in vento. L origine a presenza di vento è legata a fattori geografici (quali l orografia e la presenza di masse d acqua). Alcuni di tali fattori possono intensificare le caratteristiche del vento. L ENERGIA EOLICA Lo sfruttamento del vento come quello delle altre fonti rinnovabili è reso problematico da fattori di distribuzione temporale (quotidiana o stagionale) della disponibilità. Per risultare economicamente vantaggiosa una installazione eolica dovrebbe essere sottoposta ad una velocità media di vento di circa 20 km/h. La disponibilità di energia fornita dal vento dipende dall energia cinetica della massa d aria: Ec = 1/2 m v 2 da cui la potenza ottenibile (m è la portata d aria) P = 1/2 m v 2 = 1/2 ρ A v 3 dove A è la sezione di deflusso (l area intercettata dal rotore dell installazione eolica) Nella pratica la dipendenza è anche legata all efficienza della turbina eolica che non è costante con la velocità. 1

2 L ENERGIA EOLICA Un parametro importante è la densità di potenza eolica (P/A) D = 1/2 ρ v 3 che non dipende più dalle caratteristiche del rotore. Ad esempio, con un vento da 15,0 km/h (4,17 m/s), ρ(15 C, 1 atm) = 1,292 kg/m 3 D = 0,646 (4,17) 3 = 46,7 W/m 2 Con un vento da 20 km/h (5,55 m/s) D = 0,646 (5,55) 3 = 110,7 W/m 2 Non è possibile calcolare D media annuale a partire da v media annuale. La dipendenza non è lineare: sito 1: v media = 20 km/h v = cost = v media => D media = 110,7 W/m 2 sito 2: v media = 20 km/h ma v = 15 km/h per metà tempo e v = 25 km/h per l altra metà D = D (15)/2 + D (25)/2 = 46,7/ ,3/2 = 131,5 W/m 2 Effetti di superficie La velocità del vento può inoltre essere disturbata dalle caratteristiche del suolo, in presenza di superfici più o meno scabre e/o di ostacoli. v(h1) = v(h0) (h1/h0) n (n dipende dalla superficie) Supponendo di voler installare una turbina eolica da 30 m di altezza dopo aver effettuato rilevazioni anemometriche a 9 m si dovrà correggere il valore medio rilevato per considerare la differenza di altezza. Se ad esempio si è rilevata una velocità media di 16 km/h e l area è coperta da vegetazione bassa (low wood) v(30) = v (10) (30/10) 0,20 = 19,9 km/h 2

3 Ostacoli L effetto può essere risentito sia a monte che a valle dell ostacolo (sopra-vento e sotto-vento). Ostacoli Se non si possono evitare gli ostacoli si dovrebbe avere l accortezza di collocare il generatore eolico: sopra-vento almeno di due volte l altezza dell ostruzione sottovento almeno 10, e preferibilmente 20 volte l altezza dell ostruzione Inoltre il rotore dovrebbe essere collocato da terra ad almeno due volte l altezza dell ostruzione se si trova immediatamente sottovento rispetto a questa. 3

4 Fonte: WWEA 4

5 Componenti principali di una turbina eolica Rotore E la parte della turbina eolica che raccoglie l energia dal vento. Normalmente è composto da due o più pale in legno, metallo o fibra di vetro che ruotano attorno ad un asse (verticale o orizzontale). L efficienza aerodinamica aumenta con il numero di pale ma anche i costi. La velocità di rotazione dipende in generale dalla velocità del vento e dalla forma delle pale. La velocità aumenta riducendo il numero di pale, ma aumenta anche la rumorosità Il principio di funzionamento normalmente è basato sull effetto di portanza (lift). Componenti principali di una turbina eolica Rapporto di velocità di apice (Tip Speed Ratio) E il rapporto tra la velocità di rotazione della pala e quella del vento e va in genere mantenuto tra 6 e 7 (es. 5 m/s di vento =>30-35 m/s di velocità di apice). Il numero di pale e l area spazzata condizionano le prestazioni. In particolare è importante evitare di generare turbolenza, sia attraverso una corretta conformazione delle pale sia con una loro spaziatura. Per questo i rotori non hanno normalmente più di 2 o 3 pale. 5

6 Componenti principali di una turbina eolica Componenti principali di una turbina eolica Trasmissione La velocità di rotazione può variare tra 40 e 400 giri al minuto in dipendenza dal modello e dalla velocità del vento, mentre il generatore elettrico richiede una velocità generalmente di 1500 giri al minuto. E quindi utilizzato un sistema in grado di modificare il rapporto di trasmissione. Alcuni modelli lavorano senza sistema di trasmissione, azionando un generatore sincrono anulare. Tensione e frequenza variano con la velocità, richiedendo la presenza di un inverter. 6

7 Componenti principali di una turbina eolica: generatore anulare Fonte: WWEA Componenti principali di una turbina eolica: generatore anulare Fonte: WWEA 7

8 Componenti principali di una turbina eolica: generatore anulare Rated power: 2,000 kw Rotor diameter: 82 m Hub height: m Fonte: WWEA Componenti principali di una turbina eolica Torre E sostanzialmente una struttura di supporto, richiesta per posizionare le pale del rotore alla necessaria altezza dal suolo. E soggetta a notevoli sollecitazioni. L altezza massima va valutata sulla base di una analisi costi-benefici. Le turbine più grandi possono avere torri alte da 40 a 70 m 8

9 Torre 9

10 Torre Torre 10

11 Caratteristiche operative Velocità di inserzione Cut-in Speed E la minima velocità del vento alla quale le pale si mettono in rotazione per generare potenza utile. Generalmente si colloca tra i 10 e i 15 km/h (3-5 m/s). Velocità di generazione nominale Rated Speed E la minima velocità del vento alla quale la turbina è in grado di fornire la potenza nominale Ad esempio, una turbina da 10 kw non produce 10 kw fintantoché la velocità del vento non è di 40 km/h. Normalmente è una velocità compresa tra 40 e 55 km/h. A velocità di vento comprese tra la velocità di cut-in e la rated speed, la potenza erogata aumenta con la velocità del vento. Oltre la rated speed l erogazione di potenza si appiattisce. Velocità di disinserimento Cut-out Speed A velocità comprese tra i 70 e i 120 km/h la maggior parte delle turbine deve essere arrestata per prevenirne il danneggiamento. Questo può avvenire tramite un freno automatico, oppure modificando l angolo di incidenza delle pale (stallo o ammainaggio), o attraverso flaps azionati automaticamente. 11

12 Caratteristiche operative Limite di Betz Il flusso d aria che fa funzionare la turbina eolica cede la propria energia cinetica. Per convertire tutta la potenza disponibile in energia meccanica il rotore dovrebbe ridurre a zero la velocità dell aria, cessando di lavorare. Si dimostra che il limite teorico massimo è pari al 59% (16/27). Nella pratica valori tipici di efficienza sono dell ordine del 35% - 45%. Il sistema eolico completo, incluso il sistema di trasmissione, il generatore, il sistema di accumulo e gli ausiliari è in definitiva caratterizzato da un rendimento compreso tra il 10% e il 30% dell originaria disponibilità di energia eolica. Caratteristiche operative Limite di Betz m = ρ A (v 1 +v 2 )/2 P = ½ m (v 12 -v 22 )= = ½ ρ A (v 1 +v 2 )/2 (v 12 -v 22 ) = = (ρ x A)/4 [(v 1 +v 2 ) (v 12 -v 22 )] P 0 = (ρ A)/2 v 3 1 P/P 0 = ½ (1 - (v 2 /v 1 ) 2 ) (1 + (v 2 /v 1 )) P/P0 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 v2/v1 12

13 Problematiche acustiche Fonte: SIROCCO Project: Silent rotors Problematiche acustiche Fonte: Van Den Berg 13

14 Problematiche acustiche Fonte: Van Den Berg Applicazioni Fonte: Retscreen 14

15 Applicazioni Fonte: Retscreen Applicazioni Fonte: Retscreen 15

16 Applicazioni Fonte: Retscreen Applicazioni Fonte: Retscreen 16

17 Costi Costi di installazione I costi totali di installazione possono essere espressi in funzione della potenza elettrica nominale del generatore eolico. Un sistema residenziale connesso a rete (1-10 kw) costa generalmente tra $2400 e $3000 per kw ($ $ per 10 kw). Un sistema medio ( kw) costa tra $1500 e $2500 per kw. Sistemi di larga taglia (>l00 kw) costano tra $1000 to $2000 per kw. In genere i costi si riducono nelle installazioni multiple. Sistemi isolati costano tra 4000 e 5000 $/kw Costi di esercizio Sono dovuti a manutenzioni ed assicurazioni e si stimano nell ordine di un 2-3% dei costi iniziali per ogni anno. Un altra stima li riferisce alla produzione elettrica nei termini di 1-2 cent/kwh Diffusione Fonte: WWEA 17

18 Diffusione: ripartizione della potenza installata al 31/12/2005 Fonte: WWEA Diffusione 18

19 Diffusione Fonte: EWEA 19

20 Fonte: EWEA 20