Energia dal vento. Gli impianti eolici. Stefano DUGLIO Dipartimento di Management, Sezione di Scienze merceologiche

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1 Energia dal vento Gli impianti eolici Il principio di funzionamento Le particelle del vento, muovendosi, posseggono una determinata energia cinetica. Tale energia può essere ceduta ad un mezzo interposto nel suo flusso. Negli impianti eolici, gli aerogeneratori, l energia del vento subisce due trasformazioni: 1. l energia cinetica del vento viene trasformata in energia meccanica. 2. l energia meccanica viene trasformata in energia elettrica. 1

2 Il principio fisico Gli aerogeneratori sfruttano l energia cinetica del vento che ha una certa densità ρ che attraversa il rotore riducendo la sua velocità v. La Potenza P può essere ricavata dall equazione seguente: P = ρ/2 Cp η A v 3 1. P = Potenza (Watt) 2. ρ = densità dell aria (kg/m 3 ) 3. Cp = coefficiente di potenza di una turbina ideale, pari a = 0, η = efficienza meccanica ed elettrica 5. A = area circolare spazzata dalle pale espressa in m 2 6. v = velocità della massa d aria prima del passaggio nelle pale (m/s) Il funzionamento dell aerogeneratore Le pale sono fissate ad un mozzo ed insieme sono il ROTORE. Il mozzo è collegato ad un primo albero, detto ALBERO LENTO, che ruota alla stessa velocità del rotore. L albero lento è collegato ad un MOLTIPLICATORE DI GIRI da cui parte un secondo albero, l ALBERO VELOCE. La velocità dell albero è data dal prodotto della velocità dell albero lento per il rapporto di moltiplicazione. Sull albero veloce è posto un freno e, dopo di esso, vi è il GENERATORE ELETTRICO. 2

3 1. Rotore. 2. Sistema frenante. 3. Torre. 4. Fondamenta. 5. Moltiplicatore di giri. 6. Generatore. 7. Sistema di controllo. 8. Navicella. 1. Il Rotore E costituito da: Mozzo. Pale. Le pale possono variare da un numero di 1 (aerogeneratore monopala) a 3. I rotori si possono dividere in tre tipologie: 1.1 Rotori ad asse orizzontale; 1.2 Rotori ad asse verticale; 1.3 Rotori ibridi. 3

4 1.1 Rotori ad asse verticale Il rotore gira perpendicolarmente alla direzione del vento, ma le pale girano parallelamente ad esso. Ciò comporta un basso rendimento, in quanto è bassa la velocità con cui girano le pale. Sono utilizzate per lo più nelle zone rurali (pompa per l acqua ecc.). Esempio di rotore ad asse verticale 4

5 1.2 Rotori ad asse orizzontale Il rotore gira parallelamente alla direzione del vento e le pale si trovano perpendicolari alla sua direzione. Sono quelli utilizzati comunemente per produrre energia elettrica. Devono essere progettati con molta attenzione. Esempio di rotori ad asse orizzontale 5

6 1.3 Rotori ibridi Sono nati con lo scopo di riunire le caratteristiche positive dei rotori ad asse verticale ed orizzontale. Hanno delle pale aerodinamiche derivanti dalle eliche che li portano ad avere i seguenti vantaggi: elevata velocità di rotazione. coefficienti di potenza molto vicini alla potenza massima ottenibile. non è necessario che siano orientati. DERRAIUS La prima versione è degli anni venti. Molto facile da costruire. Rendimento alto (0,4). Regime di rotazione elevato. Spunto basso = si avvia spontaneamente. 6

7 2. Il sistema frenante Due sistemi di freni ben distinti fra loro. 1. Il primo serve per controllare la potenza dell aerogeneratore; in caso di eccessiva velocità del vento interviene con lo scopo di frenare ed arrestare il sistema. 2. Il secondo è utilizzato per completare l arresto del rotore e come freno di stazionamento. 3. La torre La torre ha il compito di sostenere la struttura. In base alle necessità può essere costruita in legno, acciaio, cemento, ecc.. 4. Le fondamenta Sono basilari per evitare che le continue oscillazioni della struttura derivanti dal vento possano comprometterla. Di norma sono in cemento armato e spesso interrate. 7

8 5. Il moltiplicatore di giri Trasforma la rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce. Ciò è necessario per mettere in funzione il generatore di corrente elettrica. 6. Il generatore di corrente elettrica Trasforma l energia meccanica sviluppata dal movimento delle pale e dal rotore in energia elettrica. La sua potenza viene indicata in kw. 7. Il sistema di controllo Svolge tre funzioni: 1. Controllo di Potenza: le pale possono ruotare attorno al proprio asse per aumentare (o ridurre) la superficie esposta al vento. 2. Imbardata: è il controllo dell orientamento della navicella in modo che sia orientata in base alla direzione del vento. 3. Avviamento e fermata della macchina. 8

9 Imbardata: per gli aerogeneratori di piccola taglia si utilizza una pinna direzionale. La navicella. 8. La navicella Si indica la cabina dove sono ubicati tutti i componenti dell aerogeneratore (ad eccezione del rotore e delle pale). La navicella può girare a 180º sul proprio asse. La navicella è posizionata su di un cuscinetto in maniera da essere orientabile in base alla direzione del vento (sistema di imbardata). 9

10 Dove costruire un impianto eolico? Bisogna calcolare La velocità del vento. La conformazione territoriale del luogo. La velocità del vento si misura in due modi: in nodi (1 nodo = 1 miglio orario = 1,85 km/h); tramite la Scala di Beaufort. Scala di Beaufort 10

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12 Per verificare la conformazione del terreno, si usano le cosiddette classi di rugosità, che suddividono in terreno in base a alla presenza di ostacoli come boschi, edifici ecc.. 4 classi di rugosità: Rugosità 0: suolo piatto (mare, spiagge e distese nevose) Rugosità 1: suolo aperto (terreni non coltivati ed a vegetazione bassa, aeroporti) Rugosità 2: aree agricole (edifici rari e pochi alberi) Rugosità 3: suolo rugoso (forti sbalzi di pendenza, boschi, paesi ecc.) E stato calcolato che la posizione ideale per un sito eolico sulla terra ferma sia un terreno a bassa rugosità con una pendenza compresa fra 6 e 16 gradi e in cui il vento soffi per la maggior parte dell anno con una velocità pari o superiore a 5,5 m/s (al di sotto di 4 m/s l aerogeneratore non può funzionare). Per siti eolici sul mare, invece, le posizioni migliori sono quelle con venti superiori a 7-8 m/s con bassi fondali (non meno di 5 m e non più di 40 m) e ad oltre 3 km dalla terraferma. 12

13 Le Wind-farm Sono degli impianti di produzione di energia elettrica dal vento sulla terraferma. La distanza fra gli aerogeneratori non è casuale. Essi devono essere distanziati in modo tale che non possano interferire fra di loro. Per calcolare la distanza, di norma si misura la lunghezza delle pale e la si moltiplica per dieci volte: ad esempio, aerogeneratori che abbiano pale da 20 m devono essere distanziati fra loro di 200 m. 13

14 Alcuni esempi Mucuripe - Brasile Gli impianti off-shore Sono impianti di produzione di energia elettrica che operano in mare aperto. In Europa sono soprattutto concentrati nei paesi del nord (Svezia, Danimarca ed Olanda). 14

15 Quanta potenza dall energia del vento? Un impianto eolico è costituito da un gruppo di aerogeneratori che possono essere di media o grossa taglia. Quelli di media taglia (diametro delle pale fino a 40 a 50 m) hanno una potenza che si aggira intorno ai kw ognuno. Gli aerogeneratori di grossa taglia hanno, invece, una potenza che può superare anche 1 MW. In Italia l eolico si è sviluppato soprattutto nelle Regioni del centro e del sud grazie alla loro territoriale. conformazione 15

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