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UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BRESCIA
CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA MECCANICA
Tesi di laurea
PANORAMICA DELLO STATO DELLARTE
COMMERCIALE DELLE TURBINE EOLICHE
Relatore
Ch.mo Prof. Rodolfo Faglia
Laureando
Gorga Lorenzo
Matricola 81009
ANNO ACCADEMICO 2012/2013
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SOMMARIO
INTRODUZIONE 5
1. STORIA 7
2. VENTO 37
3. TECNOLOGIA 43
3.1 CONFIGURAZIONE GENERALE 43
3.2 CLASSIFICAZIONE 51
3.3 TIPOLOGIE 53
4. APPENDICE 83
4.1 PRODUTTORI TAGLIA GRANDE 85
4.2 PRODUTTORI TAGLIA MEDIA 113
4.3 PRODUTTORI TAGLIA PICCOLA 119
4.4 PRODUTTORI VAWT 127
4.5 ALTRI PRODUTTORI 133
BIBLIOGRAFIA 167
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INTRODUZIONE
Questa tesi stata ideata per essere un excursus iniziale sulle
turbine eoliche. Lintento quello di fornire le conoscenze di base
per chiunque desideri informarsi sulla situazione attuale della
tecnologia utilizzata nella trasformazione dellenergia eolica in
energia elettrica. Il primo capitolo dedicato agli sviluppi storici
che hanno portato alle moderne macchine eoliche. Si reputato
importante dedicare spazio a questo argomento visto il rinnovato
interesse verso tecnologie scoperte quasi un secolo fa e riprese e
sviluppate in tempi recenti come le turbine ad asse verticale. In
fondo a tale capitolo sono state inserite le statistiche dellultimo
wind power report del GWEC le quali mostrano gli andamenti di
mercato e le prospettive future di questo settore. Successivamente
vengono affrontati a grandi linee i problemi teorici fluidodinamici
relativi al vento e alla potenza sfruttabile. Le considerazioni
effettuate sono solo indicative e, come nello spirito del lavoro,
servono da base di partenza per successivi sviluppi. Pertanto, per
una migliore conoscenza dellargomento, si rimanda ai testi inseriti
nella bibliografia. Il terzo capitolo la vera e propria esposizione
dello stato dellarte delle turbine eoliche ed suddiviso in tre
sottocapitoli. Nel primo viene descritta la configurazione generale
di una tipica turbina eolica con attenzione ai singoli componenti.
Nel secondo sono proposte le diverse classificazioni utilizzate per
le macchine eoliche. Infine, nel terzo, vengono mostrate le varie
tipologie divise per macrogruppi: turbine ad asse orizzontale e
turbine ad asse verticale (le due nettamente pi importanti
commercialmente di cui viene proposto anche uno schema di
confronto), macchine per eolico dalta quota e nuove tecnologie
(ancora praticamente assenti sul mercato ma con buone probabilit di
entrarvi presto). Alla tesi stato aggiunto un CD in cui sono
presenti i pi di 150 produttori che sono stati consultati; di ogni
produttore sono presenti le schede tecniche delle turbine messe in
commercio, i link per una consultazione in rete e, se disponibili,
le brochure. Pertanto alcuni esempi di queste schede tecniche sono
presenti in appendice.
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1. STORIA La prima turbina eolica
Il possibile matrimonio tra vento e elettricit sempre stato una
delle grandi promesse della tecnologia umana. Molti si cimentarono
nellimpresa incontrando ostacoli quali la non continuit della fonte
e il metodo di stoccaggio dellelettricit prodotta. Tra i primi a
rendere questa
promessa realt troviamo un professore scozzese dellAnderson
College di Glasgow (oggi sede della Strathclyde University),
James Blyth, il quale nel luglio 1887 costru nel giardino del
proprio cottage di vacanza nel Marykirk una turbina eolica in
stoffa in grado di caricare un accumulatore usato per alimentare le
luci della casa.
La turbina di Brush In letteratura il primo impianto eolico
pratico a larga scala normalmente attribuito a Charles Brush, uno
scienziato di Cleveland, Ohio, che nellinverno a cavallo tra il
1887 e il 1888 mise a punto una turbina di immense dimensioni per
lepoca: i visitatori dei suoi terreni potevano ammirare una torre
di 46 300 kg alta 18,3 m sulla cui sommit girava un rotore con
diametro di 17,1 m con 144 sottili pale. All interno della torre
pose la dinamo e gli ingranaggi necessari per muoverla, mentre
sulla base si trovavano 12 batterie.
Figura 1.2 turbina Brush (1888) [wikipedia.org]
Figura 1.1 la turbina di Blyth (1891) [wikipedia.org]
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La macchina era controllata per imbardata (yaw control) tramite
una grande coda che portava in rotazione la torre; aveva un
opportuno organo di controllo di grosse dimensioni e un apposito
dispositivo la disallineava nel caso di venti forti.
Incredibilmente questo generatore funzion oltre 15 anni fornendo 12
kW in corrente continua che alimentavano la residenza e il
laboratorio (oggi con le stesse dimensioni possibile raggiungere i
100 kW); eppure, nonostante il successo, il Brush wind dynamo non
fu mai duplicato a causa degli elevati costi di produzione. Brush
offr al pubblico un prototipo, ma niente che potesse essere
prodotto in massa.
La Cour, linizio della tradizione danese
Nel 1900, lesperto a livello mondiale sulle turbine eoliche per
la generazione di elettricit non era James Brush, bens Poul La
Cour, uno scienziato danese che con il supporto del governo della
Danimarca inizi una tradizione tecnologica che sopravvive fino ai
giorni nostri. Egli fu il primo a scoprire tramite studi di
aerodinamica che turbine eoliche con poche pale a rotazione veloce
sono pi efficienti, in quanto in grado di assorbire maggiore
energia dal vento, rispetto a turbine con numero elevato di pale e
a rotazione lenta. La macchina di La Cour, senzaltro pi pratica e
versatile, rappresent levoluzione pioneristica verso le macchine pi
moderne.
Figura 1.3 turbine di La Cour per test, Askov
[eye-ball.info]
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Inoltre nel 1891 ebbe lintuizione di poter raccogliere lenergia
prodotta dal vento sotto forma di idrogeno e con l aiuto del
professore italiano Pompeo Garuti fu in grado di sviluppare un
sistema di stoccaggio basato sullelettrolisi dellacqua in idrogeno
e ossigeno: dal 1895 al 1902 la Askov Folk High School fu
illuminata da una miscela di idrogeno e ossigeno, senza rimanere
mai al buio, grazie a una cisterna di idrogeno da 12 metri
cubi.
La prima diffusione americana, le turbine Jacobs La
sperimentazione continu sporadicamente tra il 1900 e il 1920, ma
queste decadi rappresentano la pausa tra linvenzione e
lapplicazione. Fu solo dopo la prima guerra mondiale che alcuni
meccanici americani applicarono le conoscenze avanzate
nellaeronautica per creare turbine eoliche pratiche e
economiche.
Nel 1920 solo pochi agricoltori del Nord America avevano energia
elettrica e le turbine eoliche iniziarono a dimostrarsi tra i mezzi
migliori per eliminare questa mancanza. Un numero elevato di
compagnie inizi a produrre pale eoliche, ma quelle di maggiore
successo furono la Wincharget e la Windelectric dei fratelli
Jacobs. Joe e Marcellus Jacobs non erano ingegneri, ma soltanto due
contadini con molta inventiva; iniziarono i loro esperimenti nel
ranch dei loro genitori nel Montana dellest convertendo un mulino a
vento per il pompaggio dellacqua in un generatore di corrente, ma
esso girava troppo lentamente.
Figura 1.4 turbina di La Cour, Lykkegard (1908) [addante.it]
Figura 1.5 famiglia americana davanti alla propria pala eolica
(1910) [wordpress.com]
Figura 1.6 M.Jacobs con una delle sue turbine
[jacobswind.net]
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Figura 1.7 una pagina da un catalogo Jacobs del 1944
[jacobswind.net]
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Marcellus, grazie allesperienza di pilota di aerei, cap presto
che unelica a tre pale sarebbe stata una soluzione migliore per la
generazione di elettricit, inoltre miglior i profili alari della
pale. Subito le turbine Jacobs comparirono in tutte le fattorie
nelle vicinanze, ma presto i due fratelli si accorsero che produrre
turbine in maggiore quantit richiedeva una rilocazione in un centro
industriale, pertanto nel 1927 scelsero di trasferirsi a
Minneapolis, Minnesota, da dove fino al 1957 fecero uscire 30000
piccole turbine.
Queste turbine diventarono leggenda grazie alla loro
affidabilit. Nel 1938 un missionario cristiano install una turbina
Jacobs in Etiopia, il primo pezzo di ricambio venne richiesto nel
1968 dopo 30 anni di operativit. Nel 1933, Admiral Byrd install una
macchina Jacobs nella base antartica di Little America su una torre
di 21,3 m; quando Byrd abbandon la base lasci li la turbina. Suo
figlio, Richard Byrd, and a visitare il sito nel 1947, la pala
stava ancora girando
nonostante solo 4,6 m fossero liberi dal ghiaccio. Nel 1955, uno
dei veterani del 1933 torn alla base e ripul la pala, che
continuava a funzionare, dal ghiaccio. Altre aziende importanti
furono la Miller Airlite, la Universal Aeroelectric, la Paris-Dunn,
la Airline, la Wind Kind e la Wind Power. Nel 1945 Robert Weinig,
general manager della Wincharger, riferisce che al tempo la propria
compagnia aveva circa 400000 impianti eolici funzionanti in tutto
il mondo. La maggior parte delle turbine create erano di piccole
dimensioni, fornivano la potenza necessaria per alimentare una
radio e qualche lampadina da 40 W. Il loro utilizzo era
raccomandato solo dove non cera una generale erogazione di
elettricit, infatti al tempo le compagnie elettriche rifiutavano di
servire luoghi rurali se non abbastanza vicini alle citt a causa
dell elevato costo dei cavi.
Figura 1.8 la turbina Jacobs della base di Little America
[blogspot.com]
Figura 1.9 una pubblicit della Wincharger [antiqueradio.com]
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Nel 1930 approssimativamente solo il 10% delle famiglie di
contadini americani erano rifornite di energia elettrica, fu questo
clima che port il governo alla creazione del Rural Electrification
Act (REA). Questa legge, passata nel 1936, obbligava i contadini
locali a fondare cooperative con le autorit per elargire i prestiti
necessari a portare lelettricit nelle zone rurali. Fu un enorme
successo, ma ci segn la fine dellindustria americana delle pale
eoliche: entro il 1957 tutte le aziende americane di energia eolica
chiusero i battenti.
Figura 1.10 un manifesto della REA [blogspot.com] Figura 1.11 un
altro manifesto della REA [stopthecap.com]
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Nuovi prototipi europei Nel frattempo in Europa lo sviluppo di
nuovi tipi di turbine port numerosi ingegneri a riprendere in
considerazione la possibilit di sfruttare macchine ad asse
verticale, con progetto del 1924 e brevetto del 1929 lingegnere
finlandese S.J.Savonius prov un nuovo ed innovativo tipo di
aerogeneratore ad asse verticale, che porta il suo nome,
derivandolo dal progetto dellingegnere tedesco Anton Flettner che
sfruttava leffetto Magnus (il responsabile della variazione della
traiettoria di un corpo rotante in un fluido in movimento). Un
altro tipo di macchina con rotore ad effetto Magnus venne proposta
da Julius Madaraz, ma non ebbe molta fortuna.
Il rotore Darreius, meglio conosciuto come mulino a vento
eggbeater [frullino da cucina] nasce da un progetto originale che
risale al 1931 ad opera dellingegnere aeronautico francese Georges
Darrieus. Tale rotore, con due o tre pale curvate a formare una
sorta di fuso intorno ad una colonna centrale, capace di accettare
vento da ogni direzione senza dover ruotare in imbardata e a lungo
ha rappresentato lunica macchina ad asse verticale, Vertical Axis
Wind Turbine (VAWT), in grado di contrastare il predominio degli
Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT). Dopo lapparizione, che come
detto risale ai primi anni 30 , questa tipologia di aerogeneratore
stata ripresa in Canada intorno agli anni 70 e conosce, intorno al
1990, la sua realizzazione pi grande
negli Stati Uniti (600 kW).
Figura 1.12 turbina Savonius (13 maggio 1931)
[scienceservice.si.edu]
Figura 1.13 turbina Darrieus [wikipedia.com]
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Figura 1.15 schema di una turbina Giromill [reuk.co.uk]
Nel 1985 una unit Darrieus da 4 kW, lanciabile con rotori
Savonius, realizzata in Italia dal Cesen in partecipazione con
lENEA, era in sperimentazione al Passo del Turchino, vicino a
Genova. Infine rotori Darrieus, a pale con geometria variabile,
sono i cosiddetti Giromill di cui c stata una realizzazione anche
in Italia ad opera della TEMA S.p.A. (societ consociata alla
Snamprogetti) per un sito nella zona Nord Ovest della Sardegna
(diametro della macchina di 14 m, altezza della torre di 18 m e
potenza massima di 40 kW resa a 11 m/s di velocit del vento). Negli
anni pi recenti sono stati sviluppati numerosi prototipi di VAWT,
alcuni dei quali verranno mostrati in seguito.
Altro pioniere del tempo fu il tedesco Herman Honnef, il quale
nel 1932 propose per primo lidea di utilizzare i rotori allinterno
di enormi generatori ad anello. La macchina progettata da Honnef
doveva raggiungere un diametro complessivo di 160 m e a una velocit
di 15 m/s avrebbe dovuto generare 20 MW. Un'altra importante
innovazione di Honnef fu quella di pensare per primo ad
uninstallazione off-shore, egli infatti, in anticipo sui tempi,
progett una macchina galleggiante da porre in mare aperto ancorata
al fondale. Non avendo una base fissa la macchina si sarebbe sempre
direzionata autonomamente nella migliore direzione del vento.
Figura 1.14 turbine Darreius/Savonius installate a Taiwan
[wikipedia.com]
Figura 1.16 uno dei progetti di Honnef [wikipedia.org]
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Figura 1.17 e 1.18 due dei progetti di Honnef
[heiner-dorner-windenergie.de]
Limpianto di Balaklawa
Il primo grande impianto eolico fu realizzato nellEst Europeo ad
opera dellURSS, dopo che questi ebbero utilizzato alcuni modelli di
tipo simile al mulino americano per alcune installazioni isolate e
poste nelle immense steppe e praterie sovietiche. Il 1931 lanno
della realizzazione e dellinstallazione della turbina da 100 kW,
con rotore di 30 m di diametro, di Balaklawa sulla costa russa del
Mar Nero in Crimea. La turbina oper fino al
1942, anno in cui venne distrutta dai soldati della
Wehrmacht.
Figura 1.19 impianto di Balaklawa [windturbinesnow.com]
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Putnam, come vendere energia alle compagnie elettriche Il
successivo passo in avanti venne fatto dallingegnere americano
Palmer Cosslett Putnam che ebbe lidea di vendere il surplus
energetico ricavato dalla propria pala eolica alle compagnie
energetiche. Tuttavia, nessun meccanismo esistente al tempo era in
grado di convertire la corrente diretta di una turbina eolica nella
corrente alternata che consegnavano le centrali elettriche. Putnam
decise di costruire unnorme turbina eolica sperimentale che avrebbe
creato energia elettrica alternata identica a quella generata dalle
normali centrali elettriche. Eresse sulla cima di Grandpas Knob una
massiccia turbina a doppia pala con la S. Morgan Smith Company,
unindustria di turbine idroelettriche.
Il 19 ottobre 1941 inizi ad entrare in funzione, funzion per
circa 16 mesi producendo 298 240 kWh in 695 h di operativit in
linea. Il progetto naufrag a causa dellinizio della seconda guerra
mondiale e non venne pi ripreso, ovviamente non produsse ricavi
economici, ma nella sua breve vita questa turbina apr certamente
nuove frontiere nella conoscenza nel campo dellenergia eolica.
Figura 1.20 la turbina di Putnam/Smith sulla cima di Grandas
Knob [wordpress.com]
Figura 1.21 fase di costruzione della turbina Putnam/Smith
[situstudio.com]
Figura 1.22 fase di montaggio della turbina di Putnam/Smith
[situstudio.com]
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Figura 1.23 e 1.24 alcuni disegni complessivi del progetto della
turbina Putnam/Smith [heiner-doerner-windenergie.de]
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I primi studi italiani In Italia il problema dellutilizzomostra
una memoria di R. Vezzani. Indubbiamente la situazione italiana
dovette gi allora risultare ben diversa da quella dei paesi del
Norddalla scarsa presenza di evidenti ventimanc, senzombra di
dubbio, quel rilevamento di dati, capillare e su larga scala, che
invece per esempio i britannici portarono avanti; il primo studio
sistematico dei dati su scala nazionale, basato sullMilitare, fu
compiuto dal C.N.R.
Juul e Htter, il dopoguerra
Durante la seconda guerra mondiale quasi tutte le ricerche si
bloccarono, gli unici stati che proseguironofurono la
Germaniagrazie alle ricerche rispettivamente di Ulrich Htt
QuestultimoLa Cour, port avanti la tradizione
danese testando nuovi prototipimodificando turbine di altre
Nel 1956 costru a Gedser un generatore a tre pale da 200 kW il
quale influenz il design di numerose macchine successive. Figura
1.27 disegno complessivo della turbina di Juul
Figura 1.25la turbina di Juul a Gedser [windpower.org]
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a il problema dellutilizzo del vento risulta affrontato gi nel
1942 come mostra una memoria di R. Vezzani. Indubbiamente la
situazione italiana dovette gi allora risultare ben diversa da
quella dei paesi del Nord-Europa, limitata senzaltro dalla scarsa
presenza di evidenti venti in condizioni tali da poter venir
sfruttati, per manc, senzombra di dubbio, quel rilevamento di dati,
capillare e su larga scala, che invece per esempio i britannici
portarono avanti; il primo studio sistematico dei dati su scala
nazionale, basato sulle registrazioni dei venti operate dalla
Aeronautica Militare, fu compiuto dal C.N.R.-P.F.E. e venne
pubblicato solo nel 1981.
Juul e Htter, il dopoguerra
Durante la seconda guerra mondiale quasi tutte le ricerche si
bloccarono, gli unici stati che proseguirono lo sviluppo furono la
Germania e la Danimarca grazie alle ricerche rispettivamente di
Ulrich Htter e di Johannes Juul.
Questultimo, studente danese di La Cour, port avanti la
tradizione
danese testando nuovi prototipi e modificando turbine di altre
aziende.
Nel 1956 costru a Gedser un generatore a tre pale da il design
di numerose
disegno complessivo della turbina di Juul [windpower.org]
del vento risulta affrontato gi nel 1942 come mostra una memoria
di R. Vezzani. Indubbiamente la situazione italiana dovette gi
Europa, limitata senzaltro in condizioni tali da poter venir
sfruttati, per
manc, senzombra di dubbio, quel rilevamento di dati, capillare e
su larga scala, che invece per esempio i britannici portarono
avanti; il primo studio sistematico dei dati
e registrazioni dei venti operate dalla Aeronautica P.F.E. e
venne pubblicato solo nel 1981.
Figura 1.26 altro modello di turbina di Juul
[masterresource.org]
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Ulrich Htter progett turbine per lazienda nazista Ventimotor con
sede nel Weimar, Germania, nella speranza di ridurre la dipendenza
da fonti energetiche di importazione da stati stranieri. Il team di
Htter speriment diversi design, inclusi i primi usi di turbine
eoliche collegate a generatori asincroni o a generatori a induzione
direttamente accoppiati a una rete dei servizi elettrici. Dopo la
guerra continu i suoi studi e nei tardi anni 50 install una nuova
turbina caratterizzata da elevate velocit di rotazione e con sole
due pale; inoltre, seguendo la strada tracciata da Honnef, nel
1958
install su una piattaforma petrolifera una sua turbina da 10 kW
a tre pale che si pu considerare il primo impianto eolico off-shore
della storia.
Figura 1.29 e 1.30 alcune turbine di Htter Figura 1.31 la prima
pala eolica installata in mare [heiner-doerner-windenergie.de]
[heiner-doerner-windenergie.de]
Nelle decadi del 1950 e del 1960, sia la Francia che la Gran
Bretagna iniziarono a installare prototipi di pale eoliche.
Figura 1.28 Ulrich Htter nel proprio laboratorio
[stuttgart-buch.de]
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Il boom degli anni 70
Figura 1.32 limpianto eolico di san gorgonio in california
[fineartamerica.com]
Gli anni 70 portarono nuovo impulso allo sviluppo delle
tecnologie eoliche con rilevanza notevole in alcuni paesi fuori
dallEuropa, come accaduto negli USA con le mega installazioni
californiane di San Gorgonio, Altamont Pass e Tehachapi. Per pi di
un ventennio gli americani hanno creduto alla promessa di poter
provvedere a tutto il proprio bisogno di energia solo grazie al
nucleare, ma incidenti come quello di Three Mile Island del 1979 o
successivamente quello di Chernobyl del 1986 causarono un forte
rallentamento nella costruzione di nuovi impianti. Questi eventi,
uniti allembargo sul petrolio e i nuovi vincoli sullutilizzo del
carbone, causarono intorno al 1970 una pi seria valutazione delle
energie alterative. Nel 1975 lo United States Departement of Energy
fond un progetto di sviluppo per turbine eoliche che fossero
economiche e utili a fini pratici. Il NASA wind turbines project
progett tredici turbine sperimentali che segnarono la strada per
molte delle tecnologie utilizzate oggi, da allora le turbine sono
cresciute molto in grandezza e in capacit produttiva. Non avendo
carbone, insufficiente gas naturale, essendo il petrolio troppo
costoso e avendo una forte opposizione locale al nucleare, la
California fu il luogo ideale per la fioritura delle energie
alternative statunitensi. Inizialmente fu scelta lenergia
geotermica e questa crebbe velocemente, ma poco dopo il suo lustro
cal e verso il 1980 linteresse si spost seriamente verso unaltra
risorsa: il vento.
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Figura 1.33 confronto in scala di alcuni modelli sviluppati
dalla NASA a partire dal 1975, immagine originariamente rilasciata
dallUS Department of Energy e dalla NASA nel 1995.
[wikipedia.org]
Figura 1.34 Mod-0 (29/09/1975) [wikipedia.org]
Figura 1.36 Mod-2 [wikipedia.org]
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confronto in scala di alcuni modelli sviluppati dalla NASA a
partire dal 1975, immagine dallUS Department of Energy e dalla NASA
nel 1995. [wikipedia.org]
0 (29/09/1975) [wikipedia.org] Figura 1.35 Mod-1 (1979)
[wikipedia.org]
2 [wikipedia.org] Figura 1.37 WTS4 (1982) Figura
[wikipedia.org]
confronto in scala di alcuni modelli sviluppati dalla NASA a
partire dal 1975, immagine
dallUS Department of Energy e dalla NASA nel 1995.
[wikipedia.org]
1 (1979) [wikipedia.org]
Figura 1.38 Mod-5B [wikipedia.org]
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Lattenzione data allenergia eolica in California non era causata
soltanto dalla ventosit del posto, ma soprattutto dalla convergenza
di domanda locale, sussidi economici statali e federali, un
favorevole clima politico e la convenienza geografica data da tre
siti ventosi posti in modo tale da poter raggiungere milioni di
persone essendo nei pressi di citt quali S. Francisco, Los Angeles
e San Diego.
Figura 1.40 Altamont Pass [airphotona.com] Figura 1.41 Tehachapi
[wikipedia.org]
Singolare il fatto che le wind farm californiane siano state
ampiamente costruite grazie alle tecnologie danesi, ma a differenza
del classico approccio soft europeo, lo sviluppo negli USA fu
caratterizzato fin dallinizio da una elevata densit di popolazione
dei cluster delle wind farm a svantaggio soprattutto dellimpatto
visivo sullambiente: non a caso limpianto di Altamont Pass viene
anche chiamato foresta dacciaio. Le persone iniziarono a
comprendere come le pale eoliche potessero modificare lestetica del
paesaggio, aumentare la mortalit degli uccelli, produrre
interferenze elettroniche e creare rumore. Non solo la California
approfitt delle possibilit offerte dallenergia eolica, presto le si
affiancarono molti stati delle Grandi Pianure (soprattutto Texas,
Minnesota, Iowa, Oregon, Washington e Pannslvania) e del Nord-Ovest
della costa pacifica, questi stati furono attratti da una
tecnologia ormai matura, incentivi federali e la possibilit per gli
agricoltori di avere sempre un minimo ricavo dalle proprie terre
anche in caso di cattivo raccolto.
Figura 1.39 San Gorgonio [blogspot.com]
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Espansione mondiale In seguito a questi successi anche altri
stati tra gli anni 80 e 90 iniziarono a proporre progetti e sussidi
per lo sviluppo dellenergia eolica. Tra i paesi pi attivi in Europa
ritroviamo la Danimarca (che nel 1991 realizza il primo vero e
proprio impianto eolico off-shore), Germania e Spagna che grazie a
appoggi governativi sono riusciti a stimolare in modo efficiente la
domanda. Anche Gran Bretagna e Olanda lanciarono un programma di
sviluppo per leolico, ma entrambi diressero i propri fondi per
ricerca e sviluppo verso progetti centralizzati e interessati alla
creazioni di grandi centrali per la produzione di elevate quantit
di energia, questo non permise a questi stati la competitivit nel
mercato europeo in realt basato pi sulluso domestico. Nonostante la
Gran Bretagna abbia le migliori risorse eoliche in Europa,
opposizioni unite e scarso aiuto statale portarono il mercato al
collasso verso la fine del 1990. Molti altri stati iniziarono
linstallazione di impianti eolici, in Europa troviamo per esempio
Francia, Italia, Grecia e Svezia; fuori dallEuropa un ruolo
predominante stato svolto da India, Nord Africa e soprattutto
Cina.
La crescita esponenziale Durante i primi anni del 2000 ci si
trovati di fronte a una veloce crescita delleolico in tutto il
mondo. Una prova evidente di questa affermazione sono i dati: nel
Global Wind Report pubblicato nei primi mesi del 2011 dal Global
Wind Energy Council si afferma che lenergia eolica si presenta come
la principale fonte energetica in molti Paesi, con oltre 197 000 MW
di capacit installata in tutto il mondo e una crescita che assume
carattere esponenziale. Tale rapporto specifica inoltre che
lenergia eolica potrebbe provvedere nel 2030 per circa il 22% alla
produzione di elettricit mondiale.
Figura 1.42 Capacit eolica cumulata installata nel mondo. Anni
1996-2010 (MW) [enea.it]
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La sua diffusione ormai ampia, interessando pi di 60 Paesi e la
TABELLA 1 illustra i dati per grandi aree geografiche. Come si
nota, lEuropa ha un ruolo di primo piano nella produzione di
energia da fonte eolica e tale espansione stata favorita
principalmente dalle politiche di incentivazione delle fonti
rinnovabili adottate dai vari Stati membri, comprendendo incentivi
finanziari (incluse sovvenzioni per gli investimenti) e tariffe
ridotte, con lobiettivo di contribuire alla riduzione delle
emissioni di gas serra.
TABELLA 1.1 - Potenza eolica installata nel mondo suddivisa per
area geografica
[enea.it]
Zona geografica Capacit eolica 2010 (MW) % di
ripartizione Africa/Medio Oriente 1.079 0,55 Asia 61.087 31,00
di cui: Cina 44.733 22,70 India 13.065 6,63 Europa 86.279 43,79 di
cui: Germania 27.214 13,81 Spagna 20.676 10,49 Italia 5.797 2,94
America del Nord 44.189 22,43 di cui: Usa 40.180 20,39 America
Latina 2.008 1,02 Oceania 2.397 1,22 TOTALE 197.039 100,00
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La situazione attuale
TABELLA 1.2 - Top 10 wind power countries [wikipedia.it]
Country Total capacity end 2012 (MW) China 75,564 United States
60,007 Germany 31,332 Spain 22,796 India 18,421 United Kingdom
8,445 Italy 8,144 France 7,196 Canada 6,200 Portugal 4,425 Rest of
world 39,852 Total 282,482
I pi recenti dati del 2012 mostrano che le maggiori potenze
installate sono in Cina (circa 76 GW), in USA (circa 60GW), in
Germania (31GW), in Spagna (23 GW) e in India (18 GW), con lEuropa
che globalmente totalizza il 37,4% della potenza eolica mondiale
avendo installato 105,7GW. L86,4% della potenza installata nel
mondo si trova in soli dieci Paesi: Cina, USA, Germania, Spagna,
India, Francia, Italia, Gran Bretagna, Canada e Portogallo.
Tradizionalmente, come abbiamo visto in precedenza, i Paesi che pi
hanno investito e prodotto negli ultimi anni sono stati Germania,
Spagna e USA: la Germania stata la prima in classifica, ma nel 2011
stata sorpassata da Cina e Stati Uniti. Negli ultimi 5 anni emerso
un importantissimo outsider, la Cina che dal 2010 diventata il
primo Paese in classifica, diventando cos il principale Paese
emergente nel settore eolico. Nel 2011 i maggiori sforzi per
incentivare la potenza eolica installata vengono dalla Cina, che,
con un incremento del 39,6% rispetto al 2009, raggiunge il 26,2%
della potenza mondiale installata, e dagli USA, che con un
incremento del 16,3% raggiungono il 19,7%. Nel 2010, l'eolico ha
coperto il 2-2,5% dei consumi mondiali di elettricit, tuttavia in
alcuni Paesi la produzione di energia eolica una parte molto pi
importante del bilancio elettrico nazionale. Per esempio, nel 2011
in Danimarca ben il 26% dellenergia consumata proveniva da fonte
eolica, in Spagna il 15,9%, in Portogallo 15,68%, in Irlanda il 12%
e in Germania il 10,6%, mentre la Cina, pur essendo in cima alla
classifica, copre solo l'1% dei consumi di elettricit con la fonte
eolica.
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Oggi, in Italia Anche per quanto riguarda lItalia, landamento
della crescita del settore stato esponenziale. I dati dellultimo
rapporto dellIEA (TABELLA 2) mostrano come alla fine del 2010 la
capacit eolica installata dellItalia fosse di poco inferiore ai
5.800 MW, con un incremento rispetto allanno precedente del 19,5%.
stato anche stimato che lindustria eolica italiana abbia fornito
unoccupazione a circa 28.000 persone (considerando, in maniera
allargata, anche i lavoratori ausiliari del settore), con un giro
di affari stimato in circa 1,7 miliardi di euro. Tuttavia, il
contributo delleolico alla domanda nazionale di energia elettrica
rimasto ancora basso, attestandosi al 2,6%, rispetto ad una domanda
nazionale di oltre 320 TWh/anno.
TABELLA 1.3 - Situazione dell'eolico in Italia al 2010
[enea.it]
Potenza eolica installata in Italia 5.797 MW
Potenza eolica installata nel 2010 948 MW
Energia totale prodotta dal vento 8,37 TWh
Domanda nazionale di energia nel 2010 326,2 TWh/anno
Contributo dell'eolico alla domanda nazionale di energia
2,60%
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27
In Italia, l'energia eolica stata pensata tenendo presente sia
una produzione centralizzata in impianti da porre in luoghi alti e
ventilati, sia un eventuale decentramento energetico, per il quale
ogni comune italiano ha impianti di piccola taglia, composti da un
numero esiguo di pale (1-3 turbine da 3 o 4 megawatt) con le quali
genera in loco l'energia consumata dai suoi abitanti. Tuttavia, la
mancanza di una legge quadro o di un testo unico sulle energie
eoliche, diversamente dall'energia solare, considerata una delle
cause della lenta diffusione della tecnologia rispetto all'estero.
In ogni caso, lItalia attualmente il quarto paese europeo in
termini di potenza installata con 8 144 MW.
TABELLA 1.4 - Totale MW installati alla fine del 2009
[energia360.org]
Puglia (1158 MW)
Sicilia (1116 MW)
Campania (809 MW)
Sardegna (586 MW)
Calabria (398 MW)
Molise (241 MW)
Basilicata (227 MW)
Abruzzo (205 MW)
Toscana (45 MW)
Liguria (20 MW)
Emilia Romagna (16 MW)
Piemonte (12 MW)
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I dati del GWEC il Global Wind Energy Council una delle
organizzazioni pi importanti nellambito eolico mondiale.
Rappresentando pi di 1500 compagnie, organizzazioni e istituzioni
in pi di 70 paesi, tra cui aziende, sviluppatori, fornitori,
istituti di ricerca, associazioni, fornitori elettrici e aziende
finanziare e assicurative, rappresenta lintero settore eolico. Ogni
anno viene pubblicato il Global Wind Report, che riporta i dati
riguardo il mercato e la crescita delleolico. Nelle prossime pagine
mostriamo alcuni grafici del rapporto del 2012 che ben illustrano
la crescita esponenziale degli ultimi anni e ne mostrano le
differenze geografiche. Risulta evidente il ruolo centrale
dellAsia, soprattutto la Cina e in secondo luogo lIndia, e si nota
larretratezza di altre regioni come Africa, Medio Oriente e Sud
America che non mostrano la crescita delle altre regioni neanche
nelle previsioni di mercato. In generale viene comunque configurato
uno scenario positivo e di netta crescita per questo settore che
attualmente ancora in netta espansione e sembra non volersi
arrestare.
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Il futuro Le prospettive future riguardo a questa fonte di
energia sono molto promettenti, il mercato in crescita e lo
sviluppo di nuove tecnologie continuo. Quasi ogni giorno nascono
nuovi prototipi di pala eolica, pi efficienti, pi integrabili nel
rispetto del paesaggio, pi potenti. Le migliori promesse sono
quelle date dallo sviluppo del minieolico e dal microeolico, dalle
turbine integrate negli edifici e dalleolico dalta quota;
soprattutto in vista di un ruolo pi incisivo in ambito urbano.
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2. IL VENTO Cenni teorici
Il vento il movimento di una massa d'aria atmosferica da un'area
con alta pressione (anticiclonica) ad un'area con bassa pressione
(ciclonica). In genere con tale termine si fa riferimento alle
correnti aeree di tipo orizzontale, mentre per quelle verticali si
usa generalmente il termine correnti convettive che si originano
invece per instabilit atmosferica verticale. I venti sono
sostanzialmente dovuti al riscaldamento non uniforme della
superficie terrestre da parte del sole: nelle zone in cui laria
diviene pi calda questa si espande, diventa pi leggera e si solleva
creando una zona di bassa pressione, quindi laria pi fredda e
pesante proveniente dalle zone circostanti si mette in movimento
per prendere il suo posto. Su larga scala si pu osservare alle
diverse latitudini una circolazione di masse daria che viene
influenzata ciclicamente dalle stagioni; su scala pi piccola, si ha
un riscaldamento diverso tra la terraferma e le masse dacqua, con
conseguente formazione delle brezze quotidiane di terra e di mare.
In definitiva, la radiazione solare va riguardata come un enorme
pompa che tiene costantemente in movimento le masse daria, la cui
energia cinetica complessiva, secondo le stime, ammonterebbe a
circa 1,58x1016 kWh/anno. Se non vi fossero azioni perturbatrici,
la direzione del vento coinciderebbe con quella del gradiente di
pressione, poich il movimento dellaria diretto dai punti a
pressione pi alta verso i punti a pressione pi bassa, cio
perpendicolarmente alle isobare (vento di gradiente). In realt,
esistono tre notevoli cause di perturbazione: le irregolarit del
suolo, la forza deviatrice dovuta alla rotazione terrestre e
lattrito (interno e al suolo). A causa di esse si hanno scostamenti
pi o meno sensibili della direzione del vento rispetto alla
direzione del gradiente di pressione, dipendenti anche dalla
latitudine, dallaltezza sul mare, dalla natura del suolo. Lintensit
risulta direttamente proporzionale al gradiente di pressione e, a
parit di questo, dipende anchessa dalla latitudine, dallaltezza sul
mare e dalla natura del suolo. Lintensit del vento misurata dalla
sua velocit (espressa in m/s; nella pratica, anche in km/h o in
nodi); in base a essa i venti vengono classificati in vari gradi
dintensit (o anche, come spesso si dice, di forza): di uso generale
la scala Beaufort.
Ai fini dello sfruttamento dellenergia eolica mediante sistemi
di conversione in energia elettrica o meccanica importante
conoscere, indipendentemente da quale sia il tipo di vento, i
seguenti dati: a) la distribuzione della frequenza della velocit
media e delle direzioni del vento; b) le variazioni diurne,
notturne e stagionali; c) la variazione della velocit del vento con
laltezza sopra il suolo; d) lentit delle raffiche nel breve periodo
e valori massimi desunti da serie storiche almeno ventennali.
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Energia del vento
Il vento una massa fluida di gas che si muove ad una certa
velocit. Se consideriamo una massa
volumica daria che si muove con velocit attraverso unarea
posta ortogonale alla direzione della velocit essa dotata di una
potenza pari a:
Pv =
Se data in kg/m3, in m/s, in m2 allora la potenza Pv espressa in
W.
Poich al vento viene sottratta una certa quantit di energia
cinetica, la velocit sottovento al rotore risulta inferiore a
quella sopravento, di conseguenza il diametro del tubo di flusso
maggiore alle spalle del rotore rispetto al davanti (figura 2.1).
Se poi la superficie considerata circolare, come in pratica succede
per quasi tutti i
tipi di turbina eolica, ricordando che larea del cerchio
vale
con il diametro in
metri di tale cerchio, lespressione della potenza considerata
diviene:
Pv =
2
4
Questa espressione mette in evidenza due peculiarit delle
macchine eoliche. Prima di tutto il ruolo fondamentale rivestito
dalla velocit del vento che, intervenendo nellespressione con la
potenza al cubo, condiziona la grandezza della potenza captabile a
parit di superficie spazzata dalle pale, pertanto indispensabile
una accurata conoscenza anemologica del sito ove si intendono
installare gli aerogeneratori. Naturalmente per come la potenza
aumenta rapidamente allaumentare della velocit del vento, cos
aumentano in pari misura tutte le sollecitazioni sullaeromotore. La
seconda caratteristica messa in evidenza consiste nella necessit di
interessare un tubo di flusso sufficientemente ampio per disporre
di una potenza sensibile. Infatti la
potenza che pu essere estratta dipende dallarea , pertanto un
singolo generatore estrae tanta pi energia quanto maggiore larea
spazzata.
Figura 2.1 schema di flusso intorno a una turbina eolica a asse
orizzontale [treccani.it]
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Un altro fattore importante dato dalla proporzionalit rispetto
alla densit dellaria, pertanto le turbine eoliche devono essere
declassate quando operano in climi caldi o sulle montagne.
Tuttavia, la potenza che pu essere estratta dalla massa daria
considerata
notevolmente inferiore a Pv. Infatti tale potenza sarebbe
totalmente disponibile solo se il vento perdesse tutta la sua
energia cinetica: come dire, solo se il vento a valle
dellaerogeneratore fosse completamente fermo. Ovviamente ci
impossibile; gi Albert Betz (Schweinfurt, 25 dicembre 1885
Gottinga, 16 aprile 1968) ha dimostrato che la massima frazione
teoricamente estraibile di tale potenza vale 16/27=0.593 , questo
valore deriva dalla teoria del momento assiale con alcune
approssimazioni ed noto come limite di Betz, dunque la massima
potenza che pu essere estratta dalla massa daria sar pari a:
Pb = 0.593 Pv =0.593
2
4
dove rappresenta il rendimento della macchina.
Una pala essenzialmente unala. La figura 2.2 mostra le diverse
forze che agiscono su un segmento di pala. Se chiamiamo la velocit
angolare del rotore, la velocit tangenziale di un segmento di pala
a distanza dallasse uguale a . La velocit tangenziale dellaria ha
praticamente lo stesso modulo. Il vettore di velocit risultante
forma un angolo con il piano del rotore, determinato da
=
Langolo tra il piano del segmento di pala e il piano del rotore
si definisce angolo di pitch [di passo], mentre langolo tra il
vettore del flusso incidente e il piano del segmento di pala si
chiama angolo dattacco. Figura 2.2 forze agenti su un segmento di
pala
[treccani.it]
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Abbiamo quindi:
= +
La forza aerodinamica su un segmento di pala di area si pu
scomporre in una forza di portanza (lift ) (perpendicolare alla
direzione del vento apparente sullelemento di pala) e una forza a
essa perpendicolare di resistenza (drag) !:
=1
2#
! =1
2#!
In cui # il coefficiente di portanza e #! il coefficiente di
resistenza. Come si vede dalla figura, la composizione di queste
due forze genera una forza propulsiva $ nel piano del rotore e una
forza assiale % perpendicolare alla prima.
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3. TECNOLOGIA
3.1 CONFIGURAZIONE GENERALE
Poich la maggior parte delle turbine eoliche attualmente
impiegate sono del tipo ad asse orizzontale (HAWT) la descrizione
generale verr fatta con riguardo a questa tipologia. Le altre
macchine, comunque, non differiscono di molto nella struttura
logica. La configurazione generale di un aerogeneratore prevede un
numero variabile di pale[blades] fissate a un mozzo [hub], che
nellinsieme costituiscono il rotore [rotor] ; il mozzo a sua volta
collegato a un primo albero, detto albero lento, che invia la
rotazione a un moltiplicatore di giri[gearbox] da cui parte un
albero veloce. Su questultimo sono posizionati un freno[brake] e il
generatore elettrico[generator]. Spesso sono presenti anche un
sistema di controllo elettronico e altri dispositivi ausiliari.
Questi componenti di solito sono tutti contenuti allinterno della
gondola o navicella [nacelle] posta su un rullo-cuscinetto (ralla
di base) che la collega alla torre [tower]. La navicella
normalmente posta sottovento rispetto alle pale in modo da non
avere la copertura della torre, ma in rari casi viene situata
sopravento, soprattutto nel caso di pale molto flessibili che
potrebbero andare a sbattere contro la torre.
Figura 3.1 struttura generale di una turbina eolica a asse
orizzontale [ec.europa.eu]
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Pale
Le pale sono gli elementi che interagiscono con il vento e la
loro forma progettata in modo da ottenere una buona efficienza
aerodinamica. La figura 3.2 mostra il profilo di una tipica pala di
turbina, in diverse sezioni lungo il suo sviluppo longitudinale. Al
crescere della distanza dallasse del mozzo (raggio) lo spessore
della pala diminuisce cos come la corda. La velocit tangenziale di
un segmento della pala cresce con il raggio. Dato che si deve
diminuire langolo di pitch per poter mantenere un buon angolo di
attacco tale da evitare il fenomeno dello stallo (che verr spiegato
in seguito), la pala si avvolge di un angolo complessivo di circa
25 tra linizio e lestremit della sezione aerodinamica. Le forze
aerodinamiche variano con il quadrato della velocit relativa locale
e crescono rapidamente con il raggio. quindi importante progettare
la porzione della pala vicina allestremit in modo da avere una
buona portanza e una bassa resistenza.
Figura 3.2 tipica forma di una pala e sue sezioni trasverse
(ingrandite) [treccani.it]
Le pale sono flessibili e possono subire quindi una deflessione
sotto lazione del vento. Per evitare che esse possano sbattere
contro la torre, lasse del rotore spesso inclinato di un piccolo
angolo. La sezione della pala di una turbina eolica piuttosto
spessa, allo scopo di ottenere lelevata rigidit necessaria per
resistere ai carichi meccanici variabili che agiscono su di essa
nel corso del funzionamento. Questi carichi variabili sono: - la
forza centrifuga; - il peso della pala stessa; - il vento,
incostante sia per le sue fluttuazioni sia per la sua variazione in
funzione dellaltitudine e quindi della posizione della pala.
Inoltre necessario effettuare unanalisi accurata per eliminare il
rischio di risonanza tra i diversi oscillatori meccanici (pale,
torre, organi di trasmissione, ecc.).
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Le pale sono costruite con materiali leggeri: leghe di
alluminio, laminati in legno e soprattutto plastiche rinforzate in
fibra. Le fibre sono in genere di vetro, ma per le pale pi grandi
vengono utilizzate anche le fibre di carbonio nelle parti in cui si
presentano i carichi pi critici. Le fibre sono incorporate in una
matrice polimerica quale il poliestere, resine epossidiche o resine
a base di vinilstirene. La struttura spesso prevede due gusci uniti
insieme rinforzati da una matrice interna. La superficie esterna
della pala viene infine ricoperta con uno strato levigato di gel
colorato, allo scopo di prevenire linvecchiamento del materiale
composito causato dalla radiazione ultravioletta. I fulmini
costituiscono una delle principali cause di avaria, viene perci
fornita una protezione attraverso linstallazione di conduttori, sia
sulla superficie della pala sia al suo interno. A seconda della
tecnologia utilizzata dal produttore e dalla sua esperienza, le
pale possono essere dotate di elementi addizionali, come i
generatori di vortice per aumentare la portanza, i regolatori di
stallo (stall strip) per stabilizzare il flusso daria o alette
inserite allestremit della pala per ridurre la perdita di portanza
e il rumore.
Sistemi di regolazione
1. Regolazione passiva di stallo. Al crescere della velocit del
vento langolo di attacco sulle pale aumenta, al di sopra di una
certa velocit il flusso daria inizia a distaccarsi dalla superficie
esterna delle pale. Questo fenomeno di stallo si presenta allinizio
in prossimit del mozzo e si estende verso lestremit della pala. Lo
stallo progressivo fornisce un meccanismo automatico di regolazione
della potenza. questo tipo di regolazione pone dei problemi
associati al fenomeno stesso dello stallo: vibrazioni, instabilit,
difficolt nella previsione sia dellentrata dello stallo sia del
ritorno al flusso laminare.
2. Regolazione attiva. Regolazione di pitch: se si aumenta
langolo di pitch riducendo langolo di attacco , la portanza
diminuisce e la pala definita come messa in bandiera. Tutte le
grandi turbine moderne sono dotate di meccanismi di regolazione del
pitch delle pale. Quando la velocit del vento diventa eccessiva, il
rotore viene rallentato, ruotando le pale in modo da ridurre il
carico aerodinamico.
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Velocit variabile: nelle grandi turbine, accoppiato al
regolatore di pitch, spesso presente un allestimento specifico del
generatore tramite elettronica di potenza che assicura unerogazione
costante di potenza nonostante fluttuazioni del vento anche del 30%
rispetto al valore nominale. Quando la forza del vento aumenta il
rotore lasciato libero di accelerare per alcuni secondi facendo
accumulare energia cinetica nel rotore stesso. Oltre un certo
valore entra in azione la regolazione di pitch per mantenere le
velocit del rotore entro valori accettabili. Durante un successivo
calo di vento lenergia immagazzinata nel rotore verr poi
rilasciata.
La figura 3.3 mostra le curve di potenza di una tipica turbina
da 400kW, con regolazione passiva di stallo, e di una turbina da
600kW, dotata di sistemi di regolazione attivi. Per entrambe la
produzione di energia ha luogo a partire da una velocit minima del
vento, detta di cut-in generalmente di 3-4 m/s. La curva di potenza
segue, pi o meno, la curva cubica teorica fino alla velocit
nominale, rated speed (14-16 m/s). Al di sopra di questa velocit la
turbina con regolazione passiva ha una perdita di potenza, mentre
quella con regolazione attiva si mantiene pressoch costante. Per
motivi di sicurezza tutte le turbine vengono fermate a una soglio
detta di cut-off (20-25 m/s).
Mozzo
Le pale sono collegate al mozzo che ospita i meccanismi di
regolazione del pitch. Il mozzo di solito un pezzo dacciaio o di
ferro a grafite sferoidale ed protetto esternamente da un involucro
di forma ovale, lo spinner.
Figura 3.3 curve di potenza [treccani.it]
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Figura 3.4 interno della navicella di una tipica turbina eolica
[treccani.it]
Moltiplicatore di giri
Il moltiplicatore di giri impiegato per incrementare la velocit
del rotore fino ai valori richiesti dai generatori convenzionali.
In alcune turbine il rapporto pu superare 1:100. Leffetto spesso si
ottiene in tre fasi separate. Il primo stadio di solito un
moltiplicatore planetario, mentre gli altri sono moltiplicatori
paralleli o elicoidali. Per diminuire la rumorosit di questo
componente si preferisce utilizzare moltiplicatori elicoidali
lubrificati con olio refrigerato e filtrato. Questo componente tra
le prime cause di guasto nelle turbine eoliche, pertanto si cercano
sempre pi soluzioni per eliminarlo, per esempio utilizzando
generatori con un elevato numero di poli.
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Generatore
Il generatore o alternatore lunit di trasformazione dellenergia
meccanica in energia elettrica. I due tipi principali di generatori
sono: asincroni e sincroni.
1. Generatore asincrono I generatori asincroni sono
essenzialmente motori sincroni trifase a induzione. Sono
caratterizzati da una velocit sincrona, determinata dal numero di
poli del rotore e dalla frequenza di rete, allaumentare del numero
dei poli la velocit diminuisce. Il rotore viene magnetizzato dalla
rete locale prelevando potenza reattiva e viene messo in moto alla
velocit sincrona, se la coppia meccanica agente sullalbero aumenta
non avremo unaccelerazione del rotore poich il campo magnetico
rotante dello statore cerca di mantenere il rotore correttamente
orientato rispetto al verso delle sue polarit. Il principio di
conservazione dell'energia ci suggerisce che la coppia in ingresso
viene in qualche modo trasformata e dissipata per poter mantenere
costante la velocit di rotazione; il risultato di questo processo
la produzione di energia elettrica che, per mezzo di opportuni
dispositivi, viene ceduta alla rete. La differenza tra la velocit
effettiva e quella di sincrono detta slip. Normalmente lo slip
circa dell 1%, cosicch tali generatori sono considerati dispositivi
a velocit costante. Esistono per soluzioni elettroniche che hanno
permesso la realizzazione di sistemi a velocit variabile.
2. Generatore sincrono In questo caso il rotore costituito da un
insieme di elettromagneti o magneti permanenti e ruota allinterno
di uno statore su cui sono presenti gli avvolgimenti su cui vengono
indotte le forze motrici che producono corrente elettrica. La
frequenza di corrente prodotta da questo tipo di generatore
direttamente proporzionale alla velocit di rotazione. Per
permettere una modalit di funzionamento a velocit variabile, si
converte la corrente a frequenza variabile del generatore in
corrente continua, mediante un raddrizzatore elettronico, e si
ritrasforma la corrente continua in corrente alternata idonea alla
distribuzione sulla rete. Tutti i generatori a trasmissione diretta
(direct drive) funzionano secondo questo principio. I generatori di
questo tipo sono pi costosi di quelli asincroni, ma lassenza di un
moltiplicatore di giri elimina una fonte di problemi di
manutenzione e riduce il rumore complessivo della turbina. Per
poter produrre la potenza elettrica richiesta, questi generatori
hanno un grande diametro.
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La figura 3.5 mostra lo schema di una turbina a trasmissione
diretta. La gondola molto pi grande rispetto alle turbine dotate di
moltiplicatore di giri e di generatore a velocit di rotazione
elevata, come quella mostrata in figura 3.4. Alcuni fabbricanti di
turbine propongono una soluzione ibrida, con un generatore che
ruota a velocit intermedia e un moltiplicatore di giri con un basso
rapporto di moltiplicazione.
Infine la corrente in uscita dal generatore deve essere inviata
a un trasformatore che ne aumenti il livello di tensione.
Sistema di imbardata
Lintera gondola viene fatta ruotare sulla sommit della torre da
un sistema di imbardata, per fare in modo che il rotore fronteggi
sempre il vento. La velocit e la direzione infatti vengono
monitorati dai sensori posti sulla sommit della navicella. In
genere il rotore viene posizionato secondo la direzione media del
vento degli ultimi 10 minuti. I cavi elettrici flessibili, che
collegano la gondola alla base della torre, formano un anello al di
sotto della navicella, per consentire i movimenti di imbardata.
Tali movimenti vengono monitorati: in genere se la rotazione
superiore a due giri, la gondola viene imbardata nella direzione
opposta durante il periodo successivo di assenza di vento per
sbrogliare i cavi.
Figura 3.5 interno di una turbina direct drive [treccani.it]
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Torre
La torre pu essere di lunghezze molto variabili a seconda del
tipo di turbina, generalmente vengono utilizzate due tipologie:
tubolari e a traliccio.
1. Tubolari: le torri tubolari a forma conica sono le pi
utilizzate e sono generalmente in acciaio laminato, anche se alcune
sono anche in cemento. Le diverse sezioni sono collegate da flange
imbullonate. Hanno il vantaggio di poter ospitare in sicurezza al
loro interno la strumentazione e laccesso per le manutenzione, che
pu essere anche tramite ascensore.
2. A traliccio: le prime turbine eoliche erano installate su
torri a traliccio, attualmente vengono utilizzate solo in caso di
scarse risorse locali.
Le torri sono fissate al terreno grazie a fondamenta costituite
in genere da piastre di cemento collocate a una certa profondit.
Esistono anche torri con perni che permettono alla pala di essere
posta in posizione orizzontale e assicurata al terreno, queste
vengono utilizzate per le turbine situate in zone cicloniche quando
vengono previsti venti troppo forti.
Dispositivi ausiliari
Allinterno della gondola possono essere inseriti vari
dispositivi ausiliari tra cui:
Freno: un freno meccanico installato sullalbero di rotazione
veloce per bloccare la turbina in condizioni meteorologiche avverse
o per permettere la manutenzione.
Sistema di lubrificazione: per mantenere oliati il
moltiplicatore di giri o altre parti meccaniche.
Scambiatori di calore: per il raffreddamento dellolio e del
generatore. Anemometri e altri sensori: per inviare segnali al
sistema di controllo. Luci di segnalazione: per questioni di
sicurezza legate alla navigazione aerea.
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3.2 CLASSIFICAZIONE
Dopo i notevoli sviluppi dellultimo secolo, attualmente esiste
un elevato numero di tipologie di macchine eoliche che possono
essere classificate in base a vari parametri. Di seguito vengono
proposti i pi utilizzati.
Energia prodotta
1. Aeromotori: trasformano lenergia meccanica dellalbero in
rotazione per movimentare fluidi (aeropompe), per frantumare
materiale (mulini), per azionare macchine operatrici (motori primi
eolici).
2. Aerogeneratori: trasformano lenergia meccanica in energia
elettrica, ormai sono le macchine eoliche per eccellenza e in
particolare sono quelle di cui noi ci occupiamo.
Design
1. Ad asse orizzontale (HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine). 2.
Ad asse verticale (VAWT = Vertical Axis Wind Turbine). 3. Dalta
quota (HAWP = High Altitude Wind Power). 4. Design non
convenzionale.
Forza aerodinamica sfruttata
1. Portanza [lift]: le pale funzionano come lala di un aereo. 2.
Trascinamento [drag]: le pale fanno da vela e vengono trascinate
dal vento.
Taglia di potenza (valori indicativi)
1. Taglia piccola (P < 40kW): - microeolico (P < 10kW);
-minieolico (10kW < P < 40kW).
2. Taglia media (40kW < P < 1000kW). 3. Taglia grande (P
> 1MW).
Numero di pale
3. Multipala: con albero lento e solitamente utilizzato come
aeromotore. 4. A bassa solidit: con pale da 1 a 4 e rotore veloce,
sono i pi comuni.
Sito dinstallazione
1. On-shore: posizionati sulla terraferma. 2. Off-shore:
posizionati in mare.
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Impianto
1. Stand-alone: gli impianti consistono in una sola turbina,
normalmente questo tipo di impianto viene utilizzato per leolico di
piccola taglia ad uso privato.
2. In cluster: impianti di numerose turbine eoliche collegata
alla rete di potenza.
Classi IEC Raramente quando si progetta una turbina si conoscono
le condizioni meteorologiche del sito in cui andr ad operare,
pertanto devono essere fatte delle ipotesi a riguardo. Per
permettere la caratterizzazione delle turbine eoliche e facilitarne
la scelta in relazione alle caratteristiche del sito candidato per
l'installazione, la Commissione Elettrotecnica Internazionale (CEI,
in inglese IEC) classifica le turbine eoliche in varie classi
individuate dai parametri relativi al vento, determinabili con
studi anemometrici, quali: - velocit di riferimento, massima
velocit media del vento (calcolata su un intervallo di 10 minuti)
all'altezza del mozzo del motore nell'arco di 50 anni; - velocit
media, la quale va misurata all'altezza del mozzo e che in
primissima approssimazione pu essere ricavata dalle mappe eoliche
del territorio italiano; -raffica di vento pi forte, verificata
nell'arco di 50 anni; - turbolenza.
Figura 3.6 parametri base delle classi IEC [wind turbine
technology]
La commissione IEC ha stabilito ulteriori norme anche riguardo
al design delle turbine eoliche, per maggiori informazioni si fa
riferimento alla norma IEC 61400.
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3.3 TIPOLOGIE
Come abbiamo visto esistono numerose tipologie di turbine
eoliche, la principale classificazione a cui si fa sempre
riferimento quella tra HAWT e VAWT. Andiamo dunque ad analizzare le
differenze tra queste due macrocategorie e le ulteriori
differenziazioni che si possono trovare al loro interno. Prima di
tutto bisogna considerare che mentre per le turbine ad asse
orizzontale la geometria delle pale che raccolgono lenergia
cinetica del vento pressoch univoca, nelle classi di turbine ad
asse verticale troviamo diversi tipi di soluzioni. Tuttavia il
funzionamento, al di l delle geometrie e delle particolarit,
schematizzabile come in figura 3.7 per ogni tipo di turbina.
Figura 3.7 funzionamento generale turbine eoliche
[energyhunters.it]
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In un qualsiasi generatore eolico, generalmente, lenergia passa
da aerodinamica a meccanica e da meccanica a elettrica. Questi
passaggi non sono per gratis, durante ogni passaggio la quantit di
energia trasmessa sempre minore di quella allinizio della
trasformazione. Mentre per le perdite meccaniche, del sistema di
controllo e di adattamento alla rete elettrica sono dellordine di
qualche percentile, la conversione aerodinamica-meccanica ha un
rendimento massimo ideale fissato al 59% se assumiamo valide le
ipotesi del limite di Betz. Ai fini di comparare le prestazioni
delle varie turbine ci occuperemo di seguito della sola conversione
aerodinamico/meccanica. Ricordiamo la formula della massima potenza
estraibile da un flusso ventoso e inseriamo il parametro #&, il
coefficiente di potenza che determina le perdite aerodinamiche:
'( =1
2#&
Tralasciando quindi tutti gli altri coefficienti (che si possono
assumere come costanti una volta individuato il sito e la geometria
della pala), concentriamoci sul coefficiente di potenza (di seguito
#&), parametro che determina univocamente tutte le perdite
aerodinamiche. Questo parametro dipende dalla geometria delle pale
e della turbina, dalla velocit del vento, dallinclinazione delle
pale e quindi da tutti i parametri di forma del generatore eolico.
Una volta tenuto conto dei parametri geometrici il coefficiente di
potenza dipende soltanto dal )* (Tip Speed Ratio). Questo parametro
indicativo del rapporto fra la velocit del rotore della turbina e
la velocit del vento ed definito come:
)* =
-
In cui la velocit del rotore [rad/s], - la velocit del vento
[m/s] e il raggio (o raggio equivalente) del rotore. Come si
intuisce, una volta fissata la velocit del vento, essendo il raggio
della pala costante, il TSR dipende univocamente dalla velocit di
rotazione della turbina stessa. Avendo introdotto anche questultimo
parametro siamo pronti a analizzare le differenze di prestazione
delle varie turbine eoliche. Nella figura 3.8 si rappresenta
landamento del punto di massimo del #& al variare del )* per le
principali tipologie di turbine eoliche esistenti.
-
55
Gli andamenti rappresentati in figura 3.8 sono emblematici: le
turbine ad asse verticale hanno coefficienti di potenza minori di
quelle classiche ad asse orizzontale; questultime, infatti,
raggiungono i massimi valori di efficienza con )* pi elevati ma
danno prestazioni molto maggiori.
Figura 3.8 andamento del ./ rispetto al 012
[energyhunters.it]
-
56
Generatore ad asse orizzontale I generatori eolici ad asse di
rotazione orizzontale al suolo, HAWT, sono i pi tradizionali e sono
stati gi descritti nel capitolo precedente. Le ragioni di questo
enorme successo sono ovviamente da ritrovarsi nei rendimenti che
sono, a parit di potenza, molto maggiori di quelle delle turbine ad
asse verticale. Questa famiglia di turbine suddivisibile a sua
volta cos: - Turbine sopravento o upwind: sono la quasi totalit
delle turbine ad asse orizzontale presenti nel mondo. In queste
turbine, seguendo la direzione del flusso di vento, esso prima
incontra il rotore, poi fluisce intorno alla navicella e quindi
passa oltre. - Turbine sottovento o downwind: sono molto pi rare
delle upwind e funzionano praticamente al contrario. In queste
turbine, il vento prima fluisce intorno alla navicella poi investe
il rotore e quindi passa oltre.
Figura 3.9 e figura 3.10 confronto tra upwind e downwind
[mstudioblackboard.tudelft.nl] e [windscout.co.uk]
Le turbine ad asse orizzontale possono avere 1,2,3 o pi pale che
costituiscono il rotore. Senza addentrarci nei particolari basti
sapere che aumentare il numero di pale significa variare la velocit
del rotore a parit di vento e coppia resistente. Numerosi studi
sono stati compiuti in questo senso ma il risultato che la
configurazione con 3 pale quella che ha avuto maggior successo,
essa rappresenta il tradeoff massimo fra lobiettivo di non
perturbare troppo il flusso daria (che deve rimanere quanto pi
laminare possibile) e la capacit di avere rendimenti elevati, in pi
consente di distribuire in modo pi uniforme i momenti flettenti che
agiscono sui cuscinetti dellalbero.
-
57
Dunque i rotori ad asse orizzontale sono del tipo:
Monopala, con contrappeso: sono le pi economiche, ma essendo
sbilanciate generano rilevanti sollecitazioni meccaniche e rumore;
sono poco diffusi e quasi assenti dal mercato.
Bipala: hanno due pale poste a 180 tra loro, ovvero nella stessa
direzione e verso opposto. Hanno caratteristiche di costo e
prestazioni intermedie rispetto alle altre due tipologie; sono
abbastanza diffuse per installazioni minori.
Tripala: hanno tre pale poste a 120 una dall'altra: sono pi
costose, ma essendo bilanciate, non causano sollecitazioni
scomposte, sono affidabili e silenziose.
Multipala: poco efficienti e con albero troppo lento per essere
utilizzate nelle turbine medio-grandi, trovano applicazione quasi
esclusivamente nelleolico di piccola taglia.
Figura 3.11 monopala [desenchufados.net]
Figura 3.12 bipala [rincondelvago.com]
Figura 3.13 tripala [panoramio.com]
Figura 3.14 multipala [specialistaenergiaverde.com]
-
Vediamo un esempio di HAWT: la piccola taglia da 5kW. Questa la
sua power curve:
La curva della evanceR9000 essa inizialmente cresce con il cubo
della velocit del vento poi, quando il coefficiente di potenza
moltiplicato per gli altri fattori comincerebbe a decrescere (in
questo caso a circa 12 m/s), ilmantenere il Cp al massimo valore
possibile fino alla velocit di cut
Figura 3.16 alcune caratteristiche della evance R9000
[energyhunters.it]
Figura 3.15 power curve e immagini della evanceR9000
[energyhunters.it]
58
Vediamo un esempio di HAWT: la R9000 della EVANCE, una turbina
eolica di
:
La curva della evanceR9000 si pu dire caratteristica di una
classica turbina eolica: essa inizialmente cresce con il cubo della
velocit del vento poi, quando il coefficiente di potenza
moltiplicato per gli altri fattori comincerebbe a decrescere (in
questo caso a circa 12 m/s), il controllo della turbina modifica il
TSR al fine di mantenere il Cp al massimo valore possibile fino
alla velocit di cut
alcune caratteristiche della evance R9000 [energyhunters.it]
curve e immagini della evanceR9000 [energyhunters.it]
, una turbina eolica di
si pu dire caratteristica di una classica turbina eolica: essa
inizialmente cresce con il cubo della velocit del vento poi, quando
il coefficiente di potenza moltiplicato per gli altri fattori
comincerebbe a decrescere (in
controllo della turbina modifica il TSR al fine di mantenere il
Cp al massimo valore possibile fino alla velocit di cut-out.
-
Generatore ad asse verticale
Un generatore eolico ad asse di rotazione verticale al suolo,
VAWT, un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta
quantit di parti mobili nella sua struttura, il che le conferisce
un'alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la possibilit di
sfruttare qualsiasi direzione del vento senza doversi orientare
continuamente. una macchina molto versatile,come alla produzione
centralizzata di energia elettrica nell'ordine del Su tutta la
classe di VAWT pesa il fatto che, mentre una parte del rotore,
indipendentemente da dove provenga il vento, spira nella direzione
del vento che aiuta il movimento delle pale, dallaltra parte il
vento fluir sempre nopposta alla rotazione, ci crea una coppia
oscillante sullalberoconsiderazione alla base del minore rendimento
aerodinamico rispetto alle HAWT.La sostanziale minore efficienza
rispetto a quelle con asse orizzontale (30fatto confinato l'impiego
alleolico di piccola taglia con rarissime eccezioni che hanno avuto
scarso seguito. Negli ultimi anni stanno risvegliando l'interesse
di alcune ricercatori che hanno cercato di ottimizzarecompetitive:
gli ultimi prototipi, funzionando in pi ore l'anno rispetasse
orizzontale e hanno un rendimento complessivo maggiore
Esistono varie tipologie di VAWT, di seguito vengono riportate
le principali.
Figura 3.17 SAVONIUS [geektecher.org]
59
Generatore ad asse verticale
ad asse di rotazione verticale al suolo, VAWT, un tipo di
macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantit di parti
mobili nella sua struttura, il che le conferisce un'alta resistenza
alle forti raffiche di vento, e la
alsiasi direzione del vento senza doversi orientare
continuamente. una macchina molto versatile,teoricamente adatta
all'uso domestico come alla produzione centralizzata di energia
elettrica nell'ordine del Su tutta la classe di VAWT pesa il fatto
che, mentre una parte del rotore, indipendentemente da dove
provenga il vento, spira nella direzione del vento che aiuta il
movimento delle pale, dallaltra parte il vento fluir sempre n
, ci crea una coppia oscillante sullalbero. Questa semplice
considerazione alla base del minore rendimento aerodinamico
rispetto alle HAWT.La sostanziale minore efficienza rispetto a
quelle con asse orizzontale (30
to l'impiego alleolico di piccola taglia con rarissime eccezioni
che
Negli ultimi anni stanno risvegliando l'interesse di alcune
aziende e gruppi di cercato di ottimizzare queste macchine,
rendendole molto
gli ultimi prototipi, funzionando in pi ore l'anno rispethanno
un rendimento complessivo maggiore rispetto al passato
Esistono varie tipologie di VAWT, di seguito vengono riportate
le principali.
Figura 3.18 DARREIUS [geekteacher.org]
Figura 3.19 [geekteacher.org]
ad asse di rotazione verticale al suolo, VAWT, un tipo di
macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantit di parti
mobili nella sua struttura, il che le conferisce un'alta resistenza
alle forti raffiche di vento, e la
alsiasi direzione del vento senza doversi orientare adatta
all'uso domestico
come alla produzione centralizzata di energia elettrica
nell'ordine del megawatt. Su tutta la classe di VAWT pesa il fatto
che, mentre una parte del rotore, indipendentemente da dove
provenga il vento, spira nella direzione del vento che aiuta il
movimento delle pale, dallaltra parte il vento fluir sempre nella
direzione
. Questa semplice considerazione alla base del minore rendimento
aerodinamico rispetto alle HAWT. La sostanziale minore efficienza
rispetto a quelle con asse orizzontale (30%) ne ha di
to l'impiego alleolico di piccola taglia con rarissime eccezioni
che
aziende e gruppi di e, rendendole molto
gli ultimi prototipi, funzionando in pi ore l'anno rispetto a
quelle ad rispetto al passato.
Esistono varie tipologie di VAWT, di seguito vengono riportate
le principali.
Figura 3.19 GIROMILL [geekteacher.org]
-
60
Savonius La turbina Savonius concentra i suoi focus progettuali
per evitare il problema del vento in direzione contraria da un lato
della turbina: essa infatti costituita da due semigusci (nella
versione pi semplice) i quali non sono per uniti al rotore della
turbina, bens sono disposti in modo che una parte dei semigusci sia
a comune e faccia fluire laria di spinta anche nella parte
controvento. La sua semplicit concettuale lo rende particolarmente
adatto all' autocostruzione.
Figura 3.20 GORLOV [thingiverse.com]
Figura 3.21 FLAPPING PANEL [geekteacher.org]
Figura 3.22 savonius [energyhunters.it]
-
61
Le turbine Savonius possono essere pi o meno grandi (altezza e
diametro) e con pi o meno semigusci. Analisi agli elementi finiti e
numerosi studi hanno per concluso che la migliore configurazione di
turbina Savonius quella che prevede 2 semigusci e in cui laltezza
del rotore doppia rispetto al suo diametro. Questa configurazione
geometrica realizza il massimo Cp che varia ovviamente con il TSR.
La potenza immessa in rete sar pari a:
' = #&3*
Il coefficiente di potenza Cp ha il suo massimo intorno al
valore di 0,2 per TSR bassi che obbligano i progettisti a
dimensionare la turbina per basse velocit di rotazione. Questa
turbina risente di oscillazioni di coppia dovute alla diversa
posizione del rotore rispetto al vento. Un esempio di turbina
Savonius la GEOL da 2kW, questa la sua curva di potenza e alcune
caratteristiche.
Figura 3.23 e 3.24 curva di potenza e alcune caratteristiche
della Geol-2kW [energyhunters.it]
-
62
Una particolare sottotipologia di queste turbine sono le twisted
Savonius. Tramite una rotazione intorno allasse centrale di una
pala Savonius si viene a creare una forma elicoidale, che permette
una migliore distribuzione della pala in qualsiasi posizione arrivi
il vento. Ci permette anche di ridurre le oscillazioni di
coppia.
Lazienda finlandese Windside riuscita a progettare vari modelli
con questa tecnologia riscuotendo un discreto successo. Il modello
di punta la WS-12 che, con unarea spazzata di 12 4, riesce a
produrre 8640 kWh/anno con una velocit media del vento di 5m/s e
48298 kWh/anno con velocit media di 10m/s. Essendo molto adatte
allinstallazione urbana, possono essere anche integrate negli
edifici, un esempio celebre dato dalla Pearl River Tower di
Guangzhou, China.
Figura 3.25 turbina windside [bettergeneration.co.uk]
Figura 3.26 Pearl River Tower [wikipedia.com]
-
63
Darreius Le turbine Darreius, come le HAWT sfruttano il fenomeno
della portanza per mettere in movimento il rotore; ma, grazie a una
forma detta a frollino [eggbeater] , lasse messo in rotazione in
posizione verticale. Non volendo entrare nei dettagli aerodinamici
delle forza agenti su una turbina Darreius ci limitiamo a riportare
sotto la formula che esprime la coppia M che una turbina di questo
tipo eroga durante il normale funzionamento:
5 =1
4#637
Da cui la potenza:
' =1
2#&37
Dove la densit dellaria [Kg/m3], H laltezza della turbina dal
mozzo [m], D il diametro massimo delle pale della turbina [m], V la
velocit del vento [m/s], Cm il coefficiente di coppia adimensionale
tipico di ogni turbina Darreius che oscilla fra valori negativi
(-0,1) e positivi (0,6) a seconda della posizione del rotore.
Attualmente le turbine Darreius sono rare sul mercato,
soppiantate dalle loro varianti Giromill e Gorlov. Durante gli anni
80 negli USA e nel Canada ci sono stati tentativi di creazione di
impianti importanti, ma in genere sono falliti e non hanno avuto
seguiti. Analizzeremo comunque una di quelle macchine, la turbina
da 250kW della Flowind, azienda non pi presente sul mercato a causa
fallimento.
-
64
Di seguito riportiamo landamento del coefficiente di coppia di
una turbina tripala per mostrarne loscillazione, delle fotografie
della turbina della Flowind con relativa curva di potenza e alcune
caratteristiche.
Figura 3.27 grafico coeff. di cppia, fotografie turbina Flowind
e power curve [energyhunters.it]
Figura 3.28 alcune caratteristiche della turbina Flowind
[energyhunters.it]
-
65
Giromill Progettate sempre da Darreius, funzionano con gli
stessi principi, ma hanno forma di H o di A. Invece di avere delle
pale curve, queste sono dritte e vengono collegate al mozzo
centrale tramite dei supporti orizzontali.
Una variante delle Giromill sono le Cycloturbine, essenzialmente
delle Giromill con il controllo di passo. Un esempio di turbina
Giromill offerto dallazienda italiana Ropatec, vediamo qualche dato
del modello BIG STAR VERTICAL da 20kW.
Figura 5 dati ropatec big star vertical [ropatec.com]
Figura 3.29 giromill [windturbine-performance.com]
-
66
Gorlov La turbina Gorlov, detta anche a pale elicoidali, fu
inventata dal professor Alexander M.Gorlov e brevettata fra il 1995
e il 2001. Questa turbina nasce essenzialmente come una derivazione
evoluta della turbina Darreius. La sua caratteristica principale
risiede nel twist delle pale del rotore. Le pale del rotore sono
infatti avvolte intorno allasse rotante con un certo angolo
iniziale detto angolo di twist. Questa evoluzione nasce per
riparare ad alcuni inconvenienti comuni a tutte le turbine ad asse
verticale, introducendo:
1. Una migliore coppia rotante con minori effetti di inversione
e una curva di coppia meccanica Cm pi regolare.
2. Una drastica riduzione dei problemi di avviamento dovuti
allangolo di presa del fluido. La coppia di partenza di tutte le
VAWT dipende infatti dallangolo con cui il fluido aderisce alla
pala: se esso assume particolari valori la pala non inizia la
rotazione; la turbina Gorlov, avendo pale twisted ha a disposizione
lungo lo sviluppo del rotore un range di angoli di attacco validi
per partire, accorgimento questo che facilita lavvio.
I test hanno dimostrato che il coefficiente di potenza Cp di
queste turbine pu arrivare e forse superare leggermente il valore
di 0,3. Vale la pena sottolineare che la turbina Gorlov ad oggi
utilizzata anche come turbina principale per lo sfruttamento dell'
energia marina legata a correnti o maree: essa sembra infatti
adattarsi bene a fluidi compatti con alti numeri di Reynolds.
-
67
Una tipica turbina di Gorlov il modello QR5 della Quiet
Revolution. Di seguito riportiamo la curva di potenza e alcune
caratteristiche.
Figura 3.31 e 3.32 power curve e alcune caratteristiche della
qr5 [energyhunters.it]
-
68
Flapping panel Lidea alla base delle turbine Flapping panel,
ovvero a pannelli mobili, quella di attenuare la resistenza
nell'azione controvento adottando delle semipale mobili che si
aprono nella fase passiva e si presentano chiuse nella fase attiva.
Sebbene lidea sia ingegnosa questo tipo di turbine non riscuote
successo a causa delle numerose parti mobili necessarie e del
rumore che provocano. Uno dei pochi modelli un progetto ad opera di
un gruppo di tecnici spagnoli, ma i dati reperibili a proposito
sono molto scarsi.
Figura 3.33 aerogeneratore W.M. [energiadalvento.com]
-
69
HAWT vs VAWT Ecco una tabella riassuntiva dei pregi e dei
difetti riscontrabili mediamente nelle turbine ad asse orizzontale
e ad asse verticale.
PREGI DIFETTI HAWT Alta resa aerodinamica.
Produzione di energia quasi doppia a parit di area spezzata.
Cut-in fisso e pi basso.
Pi rumorose. Maggiore impatto visivo. Perdite di allineamento
con il flusso
ventoso in condizioni turbolente.
VAWT Maggiore compattezza. Meno rumorose. Costi minori
(mediamente 7-
10% in meno). Pi adatte al contesto
urbano. Miglior assorbimento dei
venti turbolenti.
Oscillazioni di coppia sullalbero (minori con geometria
twisted-elicoidale).
Minore produzione di energia. Cut-in dipendente dalle
condizioni
generali del vento e pi elevato (parzialmente risolto con
geometria twisted-elicoidale).
Bassa resa aerodinamica.
Nonostante il loro predominio sul mercato le HAWT e le VAWT non
sono le uniche tecnologie possibili per sfruttare lenergia eolica,
un buon macrogruppo costituito dalle macchine che sfruttano i venti
dalta quota (HAWP = High Altitude Wind Power) a cui si aggiungono
le numerose nuove tecnologie scoperte dai ricercatori di tutto il
mondo. Queste possibilit essendo ancora relativamente giovani e
poco studiate portano continuamente a nuovi prototipi innovativi
che, nonostante attualmente non siano presenti sul mercato,
probabilmente vi entreranno a breve. Nei prossimi capitoli verr
fatto un veloce riassunto di ci che rintracciabile in rete, poich
tali tecnologie sono ancora rare o per lo pi solo accennate in
letteratura. Si fa presente che, purtroppo, data la natura
sperimentale di questi prototipi i dati disponibili sono ancora
scarsi.
-
70
Eolico dalta quota I venti ad alta quota sono pi potenti e pi
costanti, per questo una delle sfide per il futuro sar rendere una
realt consolidata le macchine eoliche dalta quota, High Altitude
Wind Power (HAWP). Il concetto quello di avere una macchina che
catturi lenergia cinetica dei venti ad alta quota, con un sistema
che trasmetti tale energia a terra. Oltre alla maggiore potenza
sfruttabile, un altro aspetto positivo dato dalla possibilit di
regolare laltezza della macchina in modo da sfruttare sempre in
modo efficiente le correnti daria.
Esistono varie proposte su come raccogliere questa energia,
tramite: aquiloni, aerostati, kytoon (degli aquiloni gonfiati con
gas leggeri come nel caso degli aerostati, il termine deriva da
kyte + baloon), alianti, alianti con turbine, turbine integrate
negli edifici, ecc.. Spesso aquiloni, aerostati, kytoon e alianti
vengono utilizzati per trainare cavi che portano in rotazione
rotori ad asse orizzontale posti a terra oppure vengono utilizzati
in gruppo per mettere in rotazione rotori ad asse verticale tramite
movimenti controllati e sincronizzati. Invece gli alianti con
turbine o le turbine integrate negli edifici vengono utilizzate
come normali VAWT o HAWT per poi mandare tramite cavi lenergia
elettrica generata a terra, alcuni ultimi prototipi come lo
Skymill, costituito da un aerostato che sorregge un rotore,
prevedono lutilizzo di cavi speciali per portare il movimento
rotazionale a un generatore posto a terra, in questo modo la
macchina risulta molto pi leggera e ci permette di raggiungere con
pi facilit altezze elevate.
Figura 3.35 singolo aquilone [kitegen.com] Figura 3.36 aquiloni
in gruppo [ecofriend.com]
Figura 3.34 schema di un tipico impianto dalta quota
[ecofriend.com]
-
71
Figura 3.37 aliante con turbine [ecofriend.com] Figura 3.38
aerostato con turbina [futuristicnews.com]
Figura 3.39 Il primo grattacielo al mondo con turbine integrate,
il Bahrain World Trade Center (2008) [altervista.org]
-
72
Nuove tecnologie Negli ultimi anni la corsa allutilizzo di nuove
tecnologie per sfruttare lenergia del vento si fatta sempre pi
avvincente, i nuovi prototipi e le nuove proposte si susseguono a
un ritmo difficile da seguire. Ecco un elenco veloce delle macchine
che probabilmente tra qualche anno potrebbero affacciarsi sul
mercato: A differenza di pressione
sviluppate dalla Shinyeon Energy Research Center of Korea.
Maggiori info su:
http://peswiki.com/index.php/Directory:Shinyeon_Energy_Research_Center
Bladeless (senza pale)
modello EWICON sviluppato dal Delft University of Technology,
non ha nessuna parte meccanica mobile e funziona grazie al
movimento di goccioline dacqua cariche elettricamente. La
produzione di energia elettrica avviene tramite un processo detto
"electrospraying", cio lo spostamento di goccioline d'acqua
cariche in direzione opposta a quella di un campo elettrico
esistente che si compone di due conduttori elettrici posti a 42 cm
di distanza uno dall'altro. Maggiori info su:
http://www.ewi.tudelft.nl/en/current/ewicon/
http://ambiente.regione.emilia-romagna.it/rubriche/emilia-romagna-europa/ewicon-gocce-dacqua-e-leolico-dice-addio-alle-turbine
Figura 3.40 differenza di pressione [www.peswiki.com]
Figura 3.41 Bladeless [www.pureenergyblog.com]
-
73
Bumblebee design (a forma di bombo) Sviluppate dalla Green
Wavelenght hanno un design ispirato alla forma dellaculeo dei
bombi, dovrebbero avere una maggiore efficienza. Maggiori info su:
http://www.greenwavelength.com/products/
http://www.gizmag.com/xbee-wind-turbine-green-wavelength/13279/?utm_source=PESWiki.com
Heliwind sviluppate dallazienda omonima, sono sostanzialmente
degli aerostati elicoidali agganciati a terra ad un generatore
messo in rotazione dallelica stessa. Sono pi economici, silenziosi
e non risultano un pericolo per gli uccelli, ma hanno un forte
impatti visivo.
Figura 3.43 e 3.44 Heliwind [www.peswiki.com]
Maggiori info su:
http://peswiki.com/index.php/Directory:HeliWind
http://www.hicon.us/gpage7.html
http://www.energykitesystems.net/0/HeliWind/index.html
http://www.hicon.us/downloads/Wind%20Helix%203.pdf
Figura 3.42 bumblebee [www.gizmag.com]
-
74
A pala orizzontale sviluppate dalla Derbyshire in collaborazione
con la Nottingham Trent University, hanno pale simili a quelle
degli aerei, sono teoricamente senza rumore e dovrebbero produrre
energia anche a velocit molto basse. Maggiori info su:
http://www.winddaily.com/reports/New_style_turbine_to_harvest_wind_energy_999.html
MagLev (a levitazione magnetica) progettate dalla MagLev Wind
Turbine Technologies, promettono di ridurre sensibilmente gli
attriti e quindi di aumentare lefficienza. Maggiori info su:
http://peswiki.com/index.php/Directory:MagLev_Wind_Power_Generator
Figura 3.45 a pala orizzontale [www.winddaily.com]
Figura 3.46 maglev [www.treehugger.com]
-
75
A effetto Magnus Leffetto Magnus, scoperto da Heinrich Gustav
Magnus (1802-1870), il responsabile della variazione della
traiettoria di un corpo rotante in un fluido in movimento. Esempi
pratici sono il colpo top spin del tennis o i tiri a effetto nel
calcio. Questo fenomeno causato dal fatto che un corpo in rotazione
tende a trascinare con se il flusso di fluido adiacente alla sua
superficie. Dunque un corpo in rotazione immerso in un flusso
laminare di fluido creer una zona in cui il fluido va pi veloce,
dove la rotazione concorde al flusso, e una zona in cui il fluido
andr conseguentemente pi lento. A causa di questa differenza di
velocit si crea anche una differenza di pressione che genera una
forza laterale. Esistono diversi prototipi sviluppati da varie
aziende che sfruttano questo principio, ma sono tutti poco
rilevanti sul mercato. La Mecaro ha brevettato una HAWT con pale
cilindriche, mentre la Mageen ha progettato un aerostato messo in
rotazione dai venti dalta quota. Maggiori info su:
http://www.mecaro.jp/eng/
http://peswiki.com/index.php/Directory:Magenn
Figura 3.47 e 3.48 la turbina della Mecaro [mecaro.jp]
Figura 3.49 la macchina della Mageen [www.expensive.name]
-
76
Ad ali oscillanti progettate dalla WindWings sono basate su un
ala imperniata su una leva che oscilla salendo e scendendo.
Maggiori info su:
http://www.vortexosc.com/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=87
Figura 3.50 immagine descrittiva del funzionamento dell ala
oscillante [www.vcstar.com]
-
77
Con piezoelettrici concepite nellintento di catturare lenergia
delle vibrazioni causate dal vento tramite piezoelettrici. La
piezoelettricit (la parola deriva dal greco , premere, comprimere)
la propriet di alcuni cristalli di generare una differenza di
potenziale quando sono soggetti ad una deformazione meccanica. Tale
effetto reversibile e si verifica su scale dell'ordine dei
nanometri. Maggiori info su: http://atelierdna.com/masdarwindstalk/
http://www.gizmag.com/windstalk-concept/16647/?utm_source=PESWiki.com
http://peswiki.com/index.php/Directory:Rick_Dickson:Wind_Tree
Figura 3.51 piezoelettrici [www.gizmag.com] Figura 3.52
piezoelettrici [www.creativemachine.cornell.edu]
-
78
Turbina di Tesla il modello sviluppato dalla TESNIC si basa sui
principi della turbina di Tesla: una turbina eolica ad asse
verticale, formata da un rotore con pi di 200 dischi impilati uno
sopra l'altro e separati da una stretta fessura (circa 2 mm). Per
funzionare sfrutta uno degli effetti dello strato limite (effetto
Coand) che consiste nella "adesione viscosa" o rallentamento di un
fluido che scorra in prossimit di una superficie. Tale
rallentamento porta ad una riduzione dell'energia cinetica del
fluido, cedendola alla superficie stessa, se la superficie ha forma
di un disco, la quantit di moto verr trasferita dal fluido alla
turbina, per cui si avr la generazione di una coppia motrice che
far ruotare il rotore. Maggiori info su:
http://peswiki.com/index.php/Directory:TESNIC
http://www.tesnic.com/ http://solaraero.org/
Figura 3.54 dettaglio tesnic [www.pesn.com]
Figura 3.53 tesnic [www.pureenergysystems.com]
-
79
Sky serpent Lo sky serpent sviluppato dalla azienda americana
Selsam usa rotori multipli agganciati a un singolo generatore. Ci
sono vari modelli che utilizzano motori multipli, ma lo sky serpent
si distingue dai concorrenti per la distanza e langolo che c tra
ogni turbina, il quale dovrebbe essere studiato per far si che non
si ostacolino a vicenda. Maggiori info su:
http://www.selsam.com/
Figura 3.55 sky serpent [selsam.com]
-
80
Spiral drag essenzialmente una turbina ad asse verticale simile
alle Savonius, ma con geometria conica e forma delle pale a
spirale. Maggiori info su:
http://www.fundamentalform.com/index.html
Figura 3.56 alcuni disegni e alcune parti della spiral drag
[fundamentalform.com]
-
81
Blade Tip Power System Tecnologia sviluppata dalla Windtronics e
applicata alla turbina Honeywell, consiste in una turbina ad asse
verticale multipala con un sistema di magneti e statori inseriti in
un anello esterno. Grazie a questa tecnologia la turbina senza
ingranaggi e di dimensioni pi compatte. Nonostante queste qualit
lazienda fallita nel 2013 e il modello non pi in produzione, ma non
si escludono nuovi prototipi che sfruttino una tecnologia simile.
Maggiori info su: http://skwindtronics.com/index.php#about
http://www.windtronics.eu.com/
http://www.freepowerwindturbines.com/
Figura 3.57 e 3.58 la Honeywell della Windtronics
-
82
Windbelt La Windbelt una macchina sviluppata dalla Humdinger
Wind Energy che sfrutta il fenomeno del flutter aeroelastico, il
quale consiste in una vibrazione autoeccitata che si instaura in
una struttura elastica in moto relativo rispetto a un fluido. Un
tipico esempio di questo fenomeno il crollo del Tacoma Narrows
Bridge. Lazienda produttrice ha gi messo in commercio il modello
micro, una macchina lunga pochi centimetri in grado di produrre
potenza nellordine dei micro watt e pensata per fornire energia a
sensori e piccole attrezzature. Sono in via di sviluppo un modello
medium, lungo un metro, e un modello large, formato da varie unit
tenute insieme in un pannello. Maggiori info su: http: