ELETTROTECNICA ED IMPIANTI ELETRICI La Produzione di Energia Elettrica

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Gianpiero Fabiani
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1 ELETTROTECNICA ED IMPIANTI ELETRICI La Produzione di Energia Elettrica Energia Eolica

2 L'energia eolica è l'energia posseduta dal vento. L'uomo ha impiegato la sua forza sin dall'antichità, per navigare e per far muovere le pale dei mulini utilizzati per macinare i cereali o per spremere olive o per pompare acqua. Solo da pochi decenni l'energia eolica viene utilizzata per produrre energia elettrica. I moderni mulini a vento vengono chiamati aereogeneratori. 2

3 Il principio di funzionamento degli aerogeneratori è lo stesso dei mulini a vento: il vento spinge le pale. Ma nel caso degli aereogeneratori il movimento di rotazione delle pale viene trasmesso ad un generatore che produce elettricità. Esistono diversi aerogeneratori diversi per forma e dimensione. Possono, infatti, avere una, due o tre pale di varie lunghezze: quelli con pale lunghe 50 cm vengono utilizzati come caricabatterie, quelli con pale lunghe 30 m sono in grado di erogare una potenza di 1500 kw riuscendo a soddisfare il fabbisogno di 1000 famiglie. 3

4 Il più diffuso aereogeneratore è quello di tagli media, alto oltre 50 m con 2 o 3 pale lunghe 20 m. Questo tipo di aereogeneratore è in grado di erogare circa kw 4

5 Mulino ad elica: 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 richiede però una tecnologia più raffinata, maggior cura nella progettazione e costruzione poiché le forze agenti su ogni parte sono elevate e aumentano considerevolmente all'aumentare della forza del vento. Il generatore ad elica, nel suo complesso, è una macchina che può essere estremamente pericolosa: piccoli errori o leggerezze nella sua costruzione possono creare condizioni tali da distruggere in modo esplosivo tutto il complesso, torre compresa. 5

Mulino 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

6 Mulino 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 2-10 metri. Il rotore è rigido e la sua superficie ed inclinazione non possono essere variate al variare della forza del vento; all'aumentare della velocità un asservimento idraulico, controllato da un circuito elettronico, provvede a mantenere costante il numero di giri. Il grande numero di pale comporta una solidity 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. 6

7 Legge di Betz È quella legge che dice che al massimo si potrà convertire il 59% dell energia cinetica del vento in energia meccanica (idealmente, dato che poi entrano in gioco i rendimenti dei vari sistemi e questa percentuale si abbassa). 7

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9 Struttura di un moderno aereogeneratore 9

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11 Schema elettrico di principio 11

Le Wind-Farm Più aereogeneratori collegati insieme formano le wind-farm, fattorie del vento, che sono delle vere e proprie centrali elettriche.

12 Le Wind-Farm Più aereogeneratori collegati insieme formano le wind-farm, fattorie del vento, che sono delle vere e proprie centrali elettriche. Nelle wind-farm la distanza fra gli aereogeneratori non è casuale, ma viene calcolata per evitare interferenze reciproche. Di regola gli aereogeneratori vengono situati ad una distanza di almeno 5-10 volte il diametro delle pale. 12

Impianti off-shore Sono le wind-farm costruite sul mare. Rappresentano un'utile soluzione per quei paesi densamente popolati e con forte del territorio e che si trovano vicino al mare.

13 Impianti off-shore Sono le wind-farm costruite sul mare. Rappresentano un'utile soluzione per quei paesi densamente popolati e con forte del territorio e che si trovano vicino al mare. La tecnologia degli aereogeneratori offshore è in pieno sviluppo. A livello commerciale esistono macchine da 1 MW e, in progetto, da 3 MW. I paesi più impegnati in queste ricerche sono Danimarca, Svezia, Olanda, quest'ultima con 5 centrali operative per un totale di 30 MW. 13

Dove installare l'eolico Per produrre energia elettrica in quantità sufficiente è necessario che il luogo dove si installa l'aereogeneratore sia molto ventoso.

14 Dove installare l'eolico Per produrre energia elettrica in quantità sufficiente è necessario che il luogo dove si installa l'aereogeneratore sia molto ventoso. Per determinare l'energia potenzialmente sfruttabile in una data zona bisogna conoscere la conformazione del terreno e l'andamento nel tempo della direzione e della velocità del vento. 14

15 La conformazione del terreno La conformazione del terreno influenza la velocità del vento. Infatti, il suo valore, dipende oltre che dai parametri atmosferici, anche dalla conformazione del terreno. Più un terreno è rugoso, cioè presenta variazioni brusche di pendenza, boschi, edifici e montagne più il vento incontrerà ostacoli che ridurranno la sua velocità. 15

In generale la posizione ideale di un aereogeneratore è su un terreno appartenente ad una bassa classe di rugosità e che presenta una pendenza compresa fra i 6 e i 16 gradi.

16 In generale la posizione ideale di un aereogeneratore è su un terreno appartenente ad una bassa classe di rugosità e che presenta una pendenza compresa fra i 6 e i 16 gradi. Il vento deve superare la velocità di almeno 5,5 metri al secondo e deve soffiare in modo pressochè costante durante l'anno. I migliori siti eolici sono quelli off-shore con una velocità di almeno 7-8 metri al secondo, che hanno bassi fondali e che sono situati a almeno 3 km dalla costa. 16

17 Come si misura il vento La forza del vento può essere indicata con la misura della sua velocità, e cioè i nodi, che corrispondono alle miglia orarie (1 nodo=1 miglio orario = 1,85 km/ora) 17

18 Anemometro Strumento per la misura della velocità del vento; si realizza tale misura basandosi su principi fisici diversi. Fra i più usati, il più semplice è il cosiddetto anemometro a coppe con contagiri; oltre a questo tipo esistono anemometri ad ultrasuoni ed anemometri laser, questi ultimi hanno il vantaggio di non risentire degli effetti negativi della formazione di ghiaccio Scala Beaufort Metodo convenzionale per misurare la forza del vento. I valori di questa scala vanno da 0 a 17 Forza Bft. Lo 0 corrisponde alla calma di vento, invece il 17 all'uragano. Viene utilizzata principalmente nell'ambito delle previsioni meterologiche in ambito nautico, dato che ad ogni valore della scala viene dato un valore probabile dell'altezza delle onde del mare 18

19 Velocità del vento di cut-in È la minima velocità del vento alla quale il rotore della macchina eolica si mette in rotazione; nelle moderne macchine si è riuscito ad abbassare sempre di più questo valore, aumentando così la sfruttabilità dei venti. Ci sono macchine eoliche che hanno una velocità di cut-in di 4,5 5 m/s (le piccole macchine eoliche riescono ad essere operative già con una velocità del vento di 3 m/s). Velocità del vento di cut-out È la massima velocità del vento alla quale il rotore della macchina eolica può ruotare in sicurezza: a questa velocità viene fermato il rotore per non danneggiare la macchina. Le macchine eoliche hanno una velocità di cut-out di circa 25 m/s. 19

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23 Aspetti da valutare nella installazione di aereogeneratori: - Occupazione del territorio; - Rumore; - impatto visivo; - effetti sulla flora e sulla fauna; - interferenze nelle telecomunicazioni ed effetti elettromagnetici delle apparecchiature; Benefici: EMISSIONE ZERO DI ANIDRIDE CARBONICA! 23

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27 Conclusioni Tra le fonti di energia alternativa, l energia eolica è quella che meno ha dovuto subire la concorrenza del petrolio e dei suoi derivati. Rispetto ad altre fonti rinnovabili di energia, come ad esempio quella solare, l energia eolica si distingue per alcuni fattori: Oltre ad essere continuamente disponibile e non inquinante, può essere utilizzata per compiere svariati lavori: meccanici ed elettrici. La sua utilizzazione pratica non richiede particolari modifiche al modo di vivere, come può accadere per una casa solare. È disponibile sia di giorno che di notte, e in zone temperate è disponibile in modo proporzionale alla richiesta. I meccanismi che sfruttano l energia eolica non richiedono necessariamente tecnologie d avanguardia. Ecologicamente parlando non è assolutamente inquinante e non influisce per nulla sugli ecosistemi in cui è inserita. L energia eolica, infine, può essere sfruttata sul posto ove è richiesta e non ha bisogno di lunghi e fastidiosi collegamenti con i luoghi di utilizzazione 27

28 Impatto ambientale: benefici globali Una delle maggiori perplessità sulla installazione di centrali eoliche dipende dalle preoccupazione sul loro impatto ambientale. E quindi opportuno sottolineare le caratteristiche di questa fonte il cui impatto ambientale è limitato, specialmente attraverso una buona progettazione: l energia eolica è una fonte rinnovabile, in quanto non richiede alcun tipo di combustibile, ma utilizza l energia cinetica del vento (conversione dell energia cinetica del vento, dapprima in energia meccanica e poi in energia elettrica); è pulita, perché non provoca emissioni dannose per l uomo e per l ambiente. Gli aerogeneratori non hanno alcun tipo di impatto radioattivo o chimico, visto che i componenti usati per la loro costruzione sono materie plastiche e metalliche. 28

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