IMPIANTI EOLICI. Aspetti che rendono difficoltoso lo sfruttamento dell energia eolica:

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1 IMPIANTI EOLICI L energia Lenergia eolicaè l energia lenergia posseduta dalvento ed ilsuo impiego come risorsa energetica risulta di antica applicazione. L energia cinetica dell aria in movimento può essere convertita, con opportuna tecnologia, in altra forma direttamente disponibile per soddisfare diversi utilizzi. In particolare le applicazioni tipiche sono quelle che consentono di convertire l energia cinetica dell aria, per mezzo di una macchina eolica, direttamente in energia meccanica di rotazione disponibile all asse che può essere utilizzata in modo diretto da macchine operatrici o per produzione di energia elettrica

2 IMPIANTI EOLICI Aspetti che rendono difficoltoso lo sfruttamento dell energia energia eolica: Bassa concentrazione energetica Elevata variabilità nel tempo Elevata aleatorietà con cui essa è disponibile Aspetti che rendono attraentel uso luso dell energia energia eolicaquale risorsa energetica: è disponibile in grandissime quantità non produce sostanze inquinanti consente la diversificazione delle fonti d energia

3 IMPIANTI EOLICI I sistemi che utilizzano l energia del vento vengono definiti iisistemi i Eolici, i ed in particolare si riscontrano tre configurazioni tipo: Sistemi eolici di pompaggio meccanico; Sistemi i eolici i di pompaggio elettrico; Sistemi eolici elettrici.

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7 Numero di impianti in Europa

8 Nelle regioni meridionali è installata il 98% della potenza eolica complessiva nazionale, di cui la Puglia e la Sicilia detengono il primato rispettivamente con il 23.5% ed il 23.4%, seguite dalla Campania con il 16.3% e dalla Sardegna con il 12.4%

9 Il Vento Il vento è un fenomeno che viene creato dall energia solare. Infatti il sole cede più calore in alcune zone, quindi l aria si riscalda e la pressione di dei gas diminuisce, i i e meno calore in altre, aria più fredda avente pressione dei gas più alta. Tra queste due zone si creano quindi dei moti convettivi: masse d aria si riscaldano, diminuiscono la loro densità e salgono, richiamando aria più fredda che scorre sulla superficie terrestre. Questo moto di masse d aria calde e fredde produce le aree di alta pressione e le aree di bassa pressione stabilmente presenti nell atmosfera atmosfera, influenzate anche dallarotazioneterrestre terrestre

10 Il Vento

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12 ATLANTE EOLICO web.it/viewer.htm

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15 Misura del vento Ilvento si origina per via delle differenze di temperatura tra una zona e l altra della terra. Parametri fondamentali da misurare sono l intensità (anemometri) e la direzione del vento (mulinello a coppe)

16 Le torri anemometriche vengono utilizzate per le verifiche sul campo relative alla fattibilità di campi eolici di grande potenza. Le strutture sono completate da una serie di stralli in fune d'acciaio ancorati al terreno in più punti. I profili d'acciaio sono zincati a caldo. Le torri possono essere montate con altezze variabili fra 40 m e 80 m consentendo di installare inizialmente una parte dll della struttura ed in un secondo tempo la sopraelevazione garantendo così la massima flessibilità di impiego. i In sommità viene montata un'asta per il supporto di parafulmini ed alla base della sono predisposti gli opportuni sistemi di messa a terra. A richiesta è possibile dotare le torri di sistema SOV notturno con luce rossa fissa alimentato da pannelli fotovoltaici.

17 Le torrisono costituite in genere da moduli di 3 metri dal peso contenuto, che possono essere sollevati e montati in sequenza utilizzando un accessorio di sollevamento fissato direttamente alla torre. Il modulo di base è dotato di una cerniera sferica che appoggia sulla piastra di base a contatto con il terreno. Gli stralli vengono fissati al suolo con sistemi di ancoraggio che variano in funzione del tipo di terreno e possono essere costituiti da ancorette a perdere da infiggere nel terreno o da zavorre e picchetti in tubo d'acciaio. Le strutture sono in grado di resistere a venti fino a 160 km/h.

18 La producibilità di un generatore eolico è in funzione del cubo della velocità del vento, per cui errori anche piccoli nella misura del vento si ripercuotono in grandi errori nella determinazione della producibilità media annua. E' assolutamente inutile usare stazioni meteorologicheo o strumenti con errori del 5%. La campagna anemometrica deve essere condotta solo con strumenti professionali posti ad altezze opportune.

19 Tutti gli anemometri forniscono una velocità media in un intervallo di tempo (5 10 min). Questa può essere indicata come velocità media elementare, Ve. In genere vengono elaborate e tabellate mensilmente le velocità medie orarie, Vh.Il sensore di intensità del vento ha un inerzia molto bassa e risponde alle fluttuazioni di piccola scala (turbolenza) mentre il generatore eolico ha una più grande inerzia e risente principalmente delle velocità medie: maggiore è la taglia della macchina maggiore dovrebbe essere l intervallo di tempo su cui si calcola la media.si possono quindicalcolare levelocità mediegiornaliere, Vd; mensili, Vm; annuali, Va; nonchéla media storica, V.

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23 Tutti gli anemometri forniscono una velocità media in un intervallo di tempo (5 10 min). Questa può essere indicata come velocità media elementare, Ve. In genere vengono elaborate e tabellate mensilmente le velocità medie orarie, Vh. Il sensore di intensità del vento ha un inerzia molto bassa e risponde alle fluttuazioni di piccola scala (turbolenza) mentre il generatore eolico ha una più grande inerzia e risente principalmentedellevelocità medie: maggiore èlatagliadella macchina maggiore dovrebbe essere l intervallo di tempo su cui si calcola la media. Si possono quindi calcolare le velocitàmedie giornaliere, Vd; mensili, Vm; annuali, Va; nonchéla media storica, V.

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25 Un aspetto che non va dimenticato è che le misure di velocità del vento vengono solitamenteprese ad altezze diverse da quelle di installazione dei rotori degli aerogeneratori. Pertanto bisogna tener conto in maniera opportuna del profilo di velocità.

26 P t t dll i i dl t i f i Per tener conto della variazione del vento in funzione dell altezza possiamo utilizzare la legge della potenza

27 Anche per la direzione del vento si effettua una analisi statistica. Si calcolano le percentuali di tempo per cui il vento ha assunto una determinata direzione e si traccia la cosiddetta rosa dei venti.

28 La disponibilità di vento è sicuramente un ottimo dato di partenza. Tuttavia dobbiamo convertire tale energia cinetica, che il vento possiede, in energia di pressione e quindi di rotazione ed infine convertire questa energia meccanica in energia elettrica. Dobbiamo stimare quindi quanta energia posseduta dalla massa d aria può essere convertita in energia meccanicaprima ed elettricapoi. La legge di Betz ci mostra la massimaenergia possibile conosciuta come limite di Betz che si potrebbe ricavare tramite un rotore infinitamente sottile da un fluido che scorre ad una certa velocità.

29 La vena fluida dispone di una potenza Pd. Di tale potenza solo una parte può essere estratta Pmax. Il rapporto tra la potenza estratta e la potenza disponibile definisce il coefficiente di potenza Cp.

30 Le turbine eoliche possono essere a portanza o a resistenza in funzione di quale sia la forza generata dal vento e sfruttata come forza motrice. Nelle turbine a portanza il vento scorre su entrambe le facce della pala, che presentano profili geometrici differenti, creando così in corrispondenza della superficie superiore una zona di depressione rispetto alla pressione sulla faccia inferiore.

31 Il Coefficiente di potenza Cp varia in funzione del fattore di interferenza a. Ilcoefficiente di potenza massimo lo si ha quando a assume il valore di circa 0,3. Per tale valore Cp vale circa 0,6. Ciò significa che noi, qualsiasi sia la turbina possiamo estrarre massimo il 60% della potenza disponibile del vento.

32 Nelle turbine a resistenza la forza motrice è la forza aerodinamica di resistenza. Il coefficiente di potenza risulta di molto inferiore rispetto alle turbine a portanza.

33 Come si può notare il valore massimo teoricamente raggiungibile ibil da Cpnelle turbine a resistenza è decisamente inferiore a quello raggiungibile nelle turbine a portanza soggette al limite di Betz (Cpmax=0.59): ciò rappresenta il principale limite, in termini di efficienza di estrazione di potenza dal vento, delle turbine a resistenza rispetto a quelle a portanza.

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35 La turbina eolica (rotore) è la macchinafluidodinamicache che converte l energia cinetica del flusso d aria (vento) in energia meccanica all asse. La turbina eolica può essere ad asse orizzontale (casi più diffusi) o verticale (non molto diffuse). HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine VAWT = Vertical Axis WindTurbine A causa della bassa densità dell aria che investe la turbina, la concentrazione energetica è modesta. Pertanto per avere potenze significative le turbine devono avere dimensioni molto grandi.

36 HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine

37 TURBINE ASSE ORIZZONTALE Come abbiamo già accennato, in sintesi iii sistemi it ieolici i sono un insieme di elementi tutti concorrenti al raggiungimento di un unico obiettivoquale quello della produzione di energia elettrica.

38 TURBINE ASSE ORIZZONTALE L elemento Lelemento fondamentale di un aerogeneratore è il rotore costituito da un mozzo sul quale sono fissate le pale. Queste sono solitamente realizzate in fibra di vetro o in materiale composito per garantire solidità resistenza e leggerezza. Possono variare da un minimo di 1 (rotori monopala) fino a 20 e più, caratterizzando diversamente le prestazioni della macchina. La potenza della macchina eolica è proporzionale al diametro del rotore. All aumentaredellapotenza potenza, aumentanoledimensioni della macchina. Ad esempio un aerogeneratore di media taglia ( kw di potenza) ha un diametro del rotore di circa 30 m, ed un aerogeneratore di grande taglia (da 1,5 MW) ha un rotore del diametro di circa 60 m.

39 TURBINE ASSE ORIZZONTALE

40 TURBINE ASSE ORIZZONTALE Rotori tripala Con tre pale montate a 120 l una rispetto all altra e con numero di giri iicaratteristico i tra 30 e 60 giri/minuto, è la configurazione più usata perché, se pur a fronte di costi di trasporto e di costruzione maggiori, è quello con il miglior rapporto costo/potenza sviluppata;

41 Rotori bipala TURBINE ASSE ORIZZONTALE Con due pale montate a 180 l una rispetto all altra altra e con numero di giri caratteristico tra 40 e 70 giri/minuti (quindi superiore rispetto al caso precedente con incremento della produzione di rumore e di vibrazioni). Ha un costo minore dei tripala ma anche un peggiore impatto visivo e una efficienza minorerisentendo risentendo maggiormente della presenza della torre e della variazione di velocità con la quota.

42 TURBINE ASSE ORIZZONTALE Rotori monopala Il rotore monopala presenta una sola pala munita di apposito contrappeso, è la soluzione meno costosa, di aspetto poco gradevole e più rumorosa in quanto è la più veloce tra i tre modelli esaminati; risulta indicata nel caso di siti poco accessibili; dato che l efficienza è minore delle due viste sopra. E soggetta a rottura più frequente rispetto allealtre altre.

43 VAWT = Vertical Axis Wind Turbine Le turbine ad asse verticale (o con acronimo anglosassone VAWT Vertical Axis Wind Turbine) possono essere distinte in due classi a seconda dallamodalitàprincipale con cui viene sviluppata la coppia di rotazione: Turbine a resistenza Turbine a portanza

44 VAWT = Vertical Axis Wind Turbine Nelle turbine a resistenza la forza motrice è la forza aerodinamica di resistenza. Il coefficiente di potenza risulta di molto inferiore rispetto alle turbine a portanza.

45 VAWT = Vertical Axis Wind Turbine VANTAGGI Le turbine ad asse verticale sono in grado di sfruttare l energia eolica indipendentemente d t dll dalla direzione i dl del vento Generatore, moltiplicatore ed altri organi soggetti a manutenzione sono disposti inbasso favorendo gli interventi Nei sistemi di pompaggio è favorita la trasmissione della coppia SVANTAGGI Sono posizionate generalmente al suolo dove il vento ha velocità inferiori Sono solitamente caratterizzate da una minore efficienza rispetto a quelle ad asse orizzontale La sostituzione dei cuscinetti richiede la rimozione dell intera macchina

46 Turbine a resistenza

47 Turbine a Portanza Inquesto caso le pareti sono dei profili aerodinamici disposti in un piano orizzontale e liberi di ruotare intorno ad un asse verticale. Queste tipologiedi turbine vengono analizzate con le stesse teorie aerodinamiche utilizzate per l analisi delle turbine ad asse orizzontale. Lo studio di queste turbine risulta tuttavia molto più complesso a causa del fatto che durante la rotazione nel piano orizzontale la disposizione dei profili alari rispetto al vento cambia ciclicamente e di conseguenza cambia periodicamente l incidenza della pala rispetto alla direzione della velocità relativa W.

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50 IMPIANTI EOLICI La turbina eolica è la macchina che converte l energia del vento in energia meccanica. Tuttavia la turbina eolica deve essere studiata come componente primario di un sistema eolico piuttosto che come macchina a sé. Per sistema eolico si intende l insieme di componenti integrati al fine di convertire l energia del vento in altre forme direttamente utilizzabili (elettrica, meccanica, idraulica).

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52 Controllo della potenza La potenza disponibile all asse di un aeromotore è funzione della La potenza disponibile all asse di un aeromotore è funzione della velocità del vento ed aumenta al crescere di questa con legge cubica.

53 Controllo della potenza Da qui in poi per un aerogeneratore ideale la potenza si mantiene costante fino a quando la velocità del vento raggiunge il valore corrispondente allavelocità di fuori servizio. È a questo punto che, per evitare danni, l aerogeneratore viene fermato e staccato dalla rete. Nel campo di velocità compreso tra il valore nominale e quello di fuori servizio, ii la potenza viene controlla nei seguenti modi: Regolazione tramite stallo; Regolazione tramite stallo; Regolazione a passo variabile; Controllo dell imbardata.

54 Controllo della potenza Nel primo caso si è in presenza di piccole macchine che sono realizzate con delle pale fisse montate in modo tale che all aumentaredella aumentare velocità del vento aumentalaresistenza aerodimanica fino al punto in cui la vena fluida si stacca dalla superficie delle pale (stallo), ),provocando una brusca diminuzione della potenza. Questo è un sistema semplice ed economico che però comporta una minore efficienza, maggiori spinte sulle pale quando sono ferme e la necessità di un motore di avviamento iniziale.

55 Controllo della potenza Nel secondo caso siamo in presenza di rotori con le pale a passo variabile che controllano la potenza variando l angolo caratteristico della pala. Tale sistema presenta: un maggiore controllo della potenza; maggiore efficienza; minori spinte sulle pale a rotore fermo; non necessita di motori per l avviamento; maggiori costi rispetto ai precedenti. La regolazione con il controllo dell imbardata viene realizzato facendo ruotarelanavicellaintorno intorno alproprio asse, mediantelo stesso sistema di allineamento presente nella navicella, in modo da disallineare la macchina eolica rispetto alla direzione del vento creando lo stesso effetto della regolazione del passo

56 Curva della potenza Ogni turbina ha una propria p caratteristica curva di potenza. La curva di potenza di una macchina eolica mostra il rapporto tra la velocità del vento e la potenza elettrica istantanea erogata dal generatore.

57 Per stimare la producibilità energetica di una turbina eolica non è sufficiente conoscere la velocità media del vento in un determinato sito. Altrettanto importante è avere a disposizione dei dati che riportino, per un determinato periodo (es. 1 anno), l istogramma della durata percentuale delle diverse velocità del vento, che sono generalmente il valore medio misurato nei 10min attraverso anemometri installati su torri anemometriche.

58 La distribuzione temporale della velocità del vento per un sito viene solitamente descritta utilizzando la funzione di distribuzione statistica di Weibull in quanto è quella che meglio approssima la frequenza di distribuzione delle velocità medie dl del vento dell istogramma precedente

59 Producibilità La producibilità è data dall interfacciamento di due dati: dati di ventosità del sito la curva di potenza Didtidi Dai dati di ventosità itàdlit del sito possiamo avere le ore di ventosità ad una dt data velocità. Ad esempio quante ore in un anno in un dato sito abbiamo la velocità di 4m/s. Dalla curva caratteristica della turbina possiamo desumere la potenza prodotta dalla turbina per quella data velocità media. Moltiplicando quindi il numero di ore per la potenza prodotta dalla macchina otteniamo la produzione di energia, in kilowattora, per quella data velocità. Dobbiamo ripetere tale processo per tutte le velocità da 0 a 25 m/s. Sommando i kilowattora ottenuti per le varie velocità otterremo la produzione di Sommando i kilowattora ottenuti per le varie velocità otterremo la produzione di energia elettrica annua.

60 Producibilità Moltecase produttrici di generatori eolici ci forniscono direttamente tali dati. Ovvero la produzione di energia elettrica, in kilowattora, in base alla ventosità media dl del sito di installazione.

61 ESEMPI SCHEDE TECNICHE TURBINE

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63 ESEMPI SCHEDE TECNICHE TURBINE

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66 ESEMPI SCHEDE TECNICHE TURBINE

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70 Curva di potenza certificata