IMPIANTI EOLICI

Prof.ssa Matilde Pietrafesa

DIIES - Università Mediterranea

Reggio Calabria

Il vento e l’energia eolica

Comunemente con il nome di vento siindica il movimento di masse d’ariagenerato da differenze di pressione

L'energia eolica è l’energiaottenuta dal vento

Origine dell’energia eolica

Essa è stata largamente utilizzata nell'antichità:

di fatto è stata la prima forma di energia rinnovabile, assieme a quella idraulica, scoperta dall'uomo ed utilizzata sotto forma di energia meccanica (ad esempio nella navigazione a vela)

Principi fisici del moto dell’aria

Se una porzione di superficie terrestre è riscaldata uniformemente, le masse d’aria sovrastanti si trovano a temperatura e pressione costante, le isobare risultano parallele al suolo e non si avrà formazione di vento

Moto dell’aria conseguente ad un riscaldamento

Se è presente un riscaldamento in una parte della superficie, che genera una differenza di temperatura con la zona periferica, nella zona più calda l’aria, riscaldandosi, diminuirà di densità, tendendo a portarsi verso l’alto

Differenze di pressione innescate da un gradiente termico

Le isobare si incurvano assumendo una convessità verso l’alto e le particelle d’aria tendono a scivolare ai lati verso le zone fredde

Nelle zone fredde si avrà quindi accumulo d’aria ed aumento di pressione, mentre nella zona calda la pressione tenderà a diminuire

Formazione del vento

I movimenti dell’aria rompono quindi l’equilibrio tra le pressioni

Per compensare le differenze, a livello del suolo alcune masse d’aria si dirigono dalla zona fredda ad alta pressione verso quella calda a bassa pressione, generando moti convettivi: i venti.

La loro intensità dipende dalle differenze di temperatura e pressione esistenti

A livello planetario, la formazione dei venti è dovuta almovimento di masse d’aria calde equatoriali, chesalgono verso le parti alte dell’atmosfera, dirigendosiverso i poli, richiamando altra aria dai tropici.

Si verifica pertanto un’alternanza di zone di alta pressione, alle calotte polari e lungo le due fasce sub-tropicali, con zone di bassa pressione, all’equatore e lungo le due fasce sub-polari.

Venti a livello planetario

Fattori che determinano l’intensità del vento

Oltre che dai fattori climatici, i movimenti dell’aria vengono determinati dalle caratteristiche della superficie terrestre:

a) disomogeneità (aree con differente capacità di assorbimento e rilascio di calore, quali terre, mari, deserti, ghiacciai, ecc.)

b) orografia e rugosità, in particolare nei primi 100 m

La corrente d’aria, nel vincere l’attrito che incontra perla rugosità della superficie, dissipa energia, per cui siinstaurano gradienti di velocità

Andamento della velocità con la quota

La velocità del vento risulta variabile con la quota:

in cui:

h è la quota genericaH è la quota della velocità indisturbatav è la velocità del vento alla quota hV è la velocità del vento alla quota Hα è il coefficiente di rugosità del terreno.

Misura dell’intensità del vento

Il vento si classifica in base alla sua intensità edirezione. L’intensità può essere indicata con il valoredella sua velocità o attraverso la scala Beaufort.

grado velocità

(km/h)tipo di vento

velocità

(nodi)Caratteri

velocità

(m/s)

0 0 - 1 calma 0 – 1 il fumo ascende verticalmente; il mare è uno specchio. < 0.3

1 1 - 5 bava di vento 1 – 3 il vento devia il fumo; increspature dell'acqua. 0.3 - 1.5

2 6 - 11 brezza leggera 4 - 6 le foglie si muovono; onde piccole ma evidenti. 1.6 - 3.3

3 12 - 19 brezza 7 - 10foglie e rametti costantemente agitati; piccole onde, creste

che cominciano ad infrangersi. 3.4 - 5.4

4 20 - 28 brezza vivace 11 - 16il vento solleva polvere,foglie secche,i rami sono agitati;

piccole onde che diventano più lunghe. 5.5 - 7.9

5 29 - 38 brezza tesa 17 - 21oscillano gli arbusti con foglie; si formano piccole onde

nelle acque interne; onde moderate allungate. 8 - 10.7

6 39 - 49 vento fresco 22 - 27grandi rami agitati, sibili tra i fili telegrafici; si formano

marosi con creste di schiuma bianca, e spruzzi. 10.8 - 13.8

7 50 - 61 vento forte 28 - 33

interi alberi agitati, difficoltà a cmminare contro vento; il

mare è grosso, la schiuma comincia ad essere sfilacciata

in scie.

13.9 - 17.1

8 62 - 74 burrasca

moderata 34 - 40

rami spezzati, camminare contro vento è impossibile;

marosi di altezza media e più allungati, dalle creste si

distaccano turbini di spruzzi.

17.2 - 20.7

9 75 - 88 burrasca forte 41 - 47

camini e tegole asportati; grosse ondate, spesse scie di

schiuma e spruzzi, sollevate dal vento, riducono la

visibilità.

20.8 - 24.4

10 89 - 102 tempesta 48 - 55rara in terraferma, alberi sradicati, gravi danni alle

abitazioni; enormi ondate con lunghe creste a pennacchio. 24.5 - 28.4

11103 -

117 fortunale 56 - 63

raro, gravissime devastazioni; onde enormi ed alte, che

possono nascondere navi di media stazza; ridotta

visibilità.

28.5 - 32.6

12 oltre 118 uragano 64 +distruzione di edifici, manufatti, ecc.; in mare la schiuma e

gli spruzzi riducono assai la visibilità. 32.7 +

Rosa dei venti

E’ un diagramma polare in cui in ogni settore vengonoriportati segmenti proporzionali al numero di ore in cui ilvento ha soffiato da quella direzione

Mappa delle velocitàdei ventiITALIA

Velocità media del vento - Italia

Maestrale da Nord-Ovest

Scirocco da Sud-Est

Libeccio da Sud-Ovest

Venti in Italia

Venti nel mondo

Idoneità dei siti per la produzione eolica

Caratteristiche di idoneità dei siti:

velocità del vento superiore ai 4 m/s per almeno un centinaio di giorni all'anno

regolarità dei venti

bassi costi di trasporto (siti di produzione non lontani dai luoghi di utilizzo).

Velocità che caratterizzano sinteticamente il regime anemologico di un sito

Velocità media aritmetica, vm, per una prima comparazione tra i siti;

Velocità media cubica, v3, per una valutazione dell’energiadisponibile (la potenza associata alla vena fluida èproporzionale al cubo della velocità)

Velocità massima, vmax, per il dimensionamento strutturaledelle macchine

Scarto quadratico medio, σ, esprime la dispersione deivalori di velocità e quindi il grado di regolarità del vento

Caratterizzazione anemologica di un sito

Viene effettuata rilevando i valori delle velocità perperiodi molto lunghi (almeno 5 anni), con passo orario osuborario, ed organizzandoli in classi di frequenzeannuali o pluriennali, costruendo le distribuzioni:

• distribuzione delle frequenze: numero di ore in cui lavelocità assume un determinato valore

• distribuzione cumulata: numero di ore in cui lavelocità è minore di un determinato valore

Distribuzione delle frequenze delle velocità

Distribuzione delle frequenze delle velocità

Distribuzione delle frequenze delle velocità (%)

Percentuale di tempo in cui si è verificata una velocità v

Distribuzione delle velocità cumulata

Numero di ore in cui la velocità è minore o uguale ad un determinato valore

Distribuzione delle velocità

Distribuzione delle velocità cumulata

Modelli probabilistici

Le distribuzioni delle velocità vengono interpretate conmodelli probabilistici:

a) curva di frequenza: percentuale di tempo in cui siè verificata una determinata velocità

e) curva di frequenza cumulata: probabilità che lavelocità sia minore o uguale al valore considerato(tende a 1)

f) curva di durata: numero di ore in cui undeterminato valore di velocità viene raggiunto osuperato

Curve di frequenza

Rappresenta la percentuale di tempo in cui si è verificata una determinata velocità v

Modello di Weibull

- v velocità del vento (m/s)- k parametro di forma (adimensionale)- C parametro di scala (m/s)

Fattore di forma k

Di solito compreso fra 1 e 4, indica la simmetria della distribuzione

k = 1: distribuzioni molto asimmetriche

2 < k < 3 distribuzioni simmetriche, simili a gaussiane

Il caso particolare k = 2 prende il nome di Distribuzione di Rayleigh

Parametro di scala C

Al crescere del parametro di scala C il massimo si sposta verso velocità maggiori

Distribuzione di Weibull con diversi

valori di k e C

C

Esempi

Esempi

Distribuzione cumulata

Modello di Rayleigh

v, k e C sono gli stessi parametri del modello di Weibull

Curva di frequenza cumulata

Probabilità che la velocità sia minore o uguale al valore divelocità considerato. Tende ad 1 per velocità estreme

CURVA DI DURATANumero di ore in cui una determinata velocità viene raggiunta o superata

Attrezzature per la misura di parametri climatici

Weather Transmitter Vaisala WXT 520

Università Mediterranea, DIIES,

Laboratorio Energia e Ambiente

Reggio Calabria

Reggio Calabria Media mensile della velocità del vento

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

win

d v

elo

city

(m

/s)

RC – Curva di frequenza delle velocità

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

freq

uen

cy

wind speed (m/s)

Weibull Observed

Impianti eolici

Sfruttamento dell’energia eolica

L'energia cinetica ottenuta dalle correnti d'aria viene trasformata in altre forme di energia (meccanica rotazionale o elettrica)

Produzione di energia meccanica

Produzione di energia elettrica

Aeromotori Aerogeneratori

Uso dell’energia eolica

Aeromotore

Asse orizzontale Asse verticale

Tipologie di aerogeneratori

Differenze fra le due tipologie

• asse orizzontale: hanno bisogno di orientarsi per ricevere il vento ortogonalmente al rotore asse verticale: sono omnidirezionali

• asse orizzontale: hanno l’attrezzaturameccanica in altoasse verticale: hanno tutta l’attrezzatura meccanica di controllo a livello del suolo e quindi è più facile effettuarne la manutenzione

• asse orizzontale: hanno potenza ed efficienza maggiore rispetto a quelli ad asse verticale

Scala degli impianti

• singole macchine, connesse alla rete (grid-connected),o dotate di accumulo elettrico per insediamenti isolati(stand-alone)

• pochi aerogeneratori che alimentano reti locali

• centrali eoliche (wind farms), connesse alla rete conrange di potenze molto estesi (20 kW-20 MW).La distanza fra gli aerogeneratori è pari a 5-10 volte ildiametro delle pale, per evitare interferenze chepotrebbero causare cadute di produzione

• impianti off-shore, costruiti in mare

Minieolico e microeolico

microeolico

impianti con potenza nominale P < 20 kW

Hanno piccole dimensioni, adatte ad uso familiare, ma prezzi di installazione più elevati (1500 - 3000 €/kW) essendo il loro mercato ancora in via di sviluppo

minieolico

impianti con potenza nominale 20 kW <P< 200 kW

Rete locale

Impianti offshore

Tipologia più diffusa

Il tipo di aerogeneratore più utilizzato è quello ad asse orizzontale a tre pale, lunghe circa 20 m

Piccola1 - 100 kW

diametro: 3-20 m

altezza: 10-20 m

Taglia degli aerogeneratori ad asse orizzontale

Media100 kW – 1 MW

diametro: 20-50 m

altezza: 20-50 m

Grande> 1 MW

diametro: 55-70 m

altezza: 60-120 m

Potenza

Corrispondenza Potenza - diametro

Componenti degli aerogeneratori

Aerogeneratori ad asse orizzontale

In cima alla torre sono posizionati:

il rotore, costituito da un mozzo, su cuisono fissate le pale, agganciato allanavicella.

Essa può ruotare di 180° sul proprio asse,orientandosi nella direzione del vento, econtiene:

• il moltiplicatore di giri, che trasforma larotazione lenta delle pale in unarotazione più veloce

• il generatore, che trasforma l'energiameccanica in energia elettrica

• il sistema di controllo

• il sistema frenante

Componenti

La torre di sostegno può essere a traliccio o a pilone tubolare

Navicella

Navicella

Rotore

Il componente fondamentale di un aerogeneratore è ilrotore, costituito da un certo numero di pale (1, 2 o 3), divarie lunghezze, fissate su un mozzo.

Le pale sottraggono al vento energia cinetica e latrasformano in energia meccanica di rotazione.

Numero di pale

• monopala, con contrappeso: sono le più economiche, ma essendo sbilanciate generano rilevanti sollecitazioni meccaniche e rumore; sono poco diffusi

• bipala: hanno due pale poste a 180° tra loro, ossia nella stessa direzione, ma con verso opposto. Hanno costo e prestazioni intermedie rispetto alle altre due tipologie; sono le più diffuse per installazioni minori

• tripala: hanno tre pale poste a 120° una dall'altra: sono costose, ma essendo bilanciate, non causano sollecitazioni scomposte e sono affidabili e silenziose. Sono le più diffuse

Moltiplicatore di giri

Per sistemi interfacciati alla rete, la velocità dell’assedel rotore non è sufficiente perché il generatoreproduca elettricità alla frequenza di rete (50 Hz inEuropa), quindi un sistema di moltiplicazionetrasferisce il movimento a un albero veloce, dotatodi freno

Moltiplicatore di giri

Moltiplicatore di giri

Generatore elettrico

E’ azionato dall’albero veloce

Negli impianti di piccola taglia non collegati allarete può essere del tipo a corrente continua oalternata, senza restrizioni di costanza dellafrequenza

Nel caso di sistemi interfacciati con la reteservono alternatori a frequenza costante

Il sistema di controllo

Dispositivo di interfaccia del generatore con la rete e/o con eventuali sistemi di accumulo

Controlla il funzionamento della macchina egestisce l’erogazione dell’energia elettrica el'arresto del sistema oltre certe velocità permotivi di sicurezza (calore generato dall'attritodel rotore sull'asse e sollecitazioni meccanichedella struttura)

TorrePuò raggiungere dimensioni notevoli in altezza, superiori a 120 m

più è alta, migliori sono le condizioni di ventosità intermini di intensità e costanza e tanto più grande puòessere il rotore, con aumento dell'energia prodotta

con l’altezza cresce la sezione e la fondazione deveessere più stabile

i materiali costitutivi sono di tipo metallico per garantirela massima robustezza agli stress meccanici dovuti allesollecitazioni esterne

Torre

Generatori ad asse verticale

• hanno potenze dell’ordine delle decine di kW, minori di minori di quelle delle macchine ad asse orizzontale

• hanno una ridotta quantità di parti mobili nellastruttura: ciò conferisce elevata resistenza alle fortiraffiche di vento, ad alte velocità e turbolenze, epossibilità di sfruttare qualsiasi direzione, senza doversiorientare di continuo

• sono molto versatili, adatti sia all'uso domestico chealla produzione centralizzata di energia

Tipologie

Tipologie

Turbina Savonius

Costituita da due (o più) superfici semicilindriche,traslate lateralmente e fissate su un disco orizzontalerotante, con concavità poste in modo da assumere inpianta la forma di S o semi-S

Turbina Darrieus

Ha forma a fuso ed è costituita da 2 o3 pale lunghe e sottili, ancorate ai dueestremi ad un albero vincolato allabase ed al terreno da alcuni tiranti

Turbina Darrieus ad H

La turbina Darrieuspuò anche avereconfigurazione ad H

Turbina Kobold

E’ una variante della Darrieus, a pale mobili, in grado di minimizzare la resistenza nella fase passiva

Rotore Windside

Ha forma elicoidale

Aerogeneratore W.M.

E’ dotato di semipale mobili che si aprono nella fase passiva e si chiudono nella fase attiva

Intermittenza della produzione eolica

La produzione eolica, essendo discontinua e nonprogrammabile, non può sostituire completamente lefonti tradizionali, quali combustibili fossili o energiaidroelettrica, che erogano potenza costante omodulabile in base alle esigenze.

Pertanto trova il suo ambito applicativo principalmentenell'integrazione di reti esistenti, per soddisfare lanecessità di potenza di picco

Smart grids

La variabilità aleatoria può esseresuperata con sistemi di distribuzioneelettrica automatizzati (smart grids), ingrado di smaltire i flussi di energiaintermittenti, che altrimentigenererebbero sovraccarichi eimprovvisi cali di tensioni, conripercussioni sulla produzione,trasmissione e distribuzione dell'energia

Sistemi ibridi eolico-idrogeno

In Danimarca esistono centrali eolico-idrogeno

La produzione di idrogeno viene effettuata attraversol'elettrolisi dell'acqua.

L'idrogeno viene quindi usato per generare elettricitàin mancanza di produzione eolica. L'energiaimmagazzinata nell'idrogeno viene convertita inenergia elettrica attraverso celle a combustibile o conun motore a combustione collegato a un generatoreelettrico.

Produzione energetica

Potenza di una vena fluida

La potenza P disponibile in una vena fluida è data dal prodottodella sua portata G per l’energia E posseduta dalla sua unità divolume V

G è data dal prodotto della velocità v del vento per l’area A dellasezione di fluido perpendicolare alla direzione del moto

G = A x v

E è data dal prodotto dell’energia cinetica della vena Ec = ½ mv2

per la densità dell’aria ϱE = ½ ϱ v2

P [W] = G [m3/s] x E [J/m3]

Potenza della vena fluida

La potenza di una massa d’aria è proporzionale al cubodella velocità del vento

ϱ = 1,225 kg/m3

Pv= 0.613 Av3

A = πd2/4

ed al quadrato del diametro del disco che investe

Pv= 0.613 Av3 = 0.613 π(d2/4)v3

Potenza estraibile dal vento

La potenza massima teorica associabilead una massa d’aria in movimento nonpuò essere interamente sfruttata acausa di vari tipi di perdite di tipodissipativo (attriti, turbolenze) o dovutealla presenza delle pale, che riducono lasezione di passaggio.

Legge di Betz

La potenza teorica massima Pes che si può estrarre dal vento con un aerogeneratore è pari al 59,3% di quella che lo investe Pv

Il rapporto Pes/Pv rappresenta l’efficienza delgeneratore. Valori di efficienza pari a 0.4-0.5 sonoin pratica considerati ottimi

Potenza utilizzabile

Potenza utile all’asse del generatore

Cp è il fattore di potenza, proprio di ciascun generatore(l’efficienza), dato dal rapporto fra la potenza resa dallamacchina Pu e quella contenuta nella correnteindisturbata Pv

Fattore di potenza Cp

La potenza resa e quindi Cp variano al variare delrapporto di velocità periferica λ fra la velocitàdell’estremo del rotore (velocità periferica vp) e lavelocità della vena v:

Cp è massimo per un valore ottimale λott, in corrispondenza del quale si verificano le migliori condizioni aerodinamiche.

Fattore di potenza massimo

L’andamento di Cp infunzione di λ evidenziala maggiore efficienzadelle macchine ad asseorizzontale rispetto aquelle ad asse verticale

Solidità

E’ il rapporto fra l’area complessiva occupata dalle pale e l’area del disco battuto.

In genere il fattore di potenza Cp si riduceall’aumentare della solidità, in quanto aumenta laturbolenza provocata dall’ingombro delle pale.

La Solidità decresce al crescere del rapporto di velocità periferica ottimo λott

Coppia di spunto

E’ il momento torcente esercitato dal mozzo incorrispondenza delle più basse velocità del ventoa cui la macchina è in grado di azionarsi

I generatori che riescono ad azionarsi anche permodesti valori di velocità del vento presentanobassi valori della coppia di spunto

La Coppia di spunto decresce al crescere di λott

Esprime la potenza elettrica resa ai morsetti del generatore in funzione della velocità del vento.

Nella curva si distinguono:

velocità di avviamento (start-up), a cui il rotore entra in motovelocità di inserimento (cut-in), a cui inizia a produrre energiavelocità nominale (rated) a cui viene resa la potenza nominale, corrispondente al massimo rendimentovelocità di stacco (cut-out) a cui intervengono i meccanismi di sicurezza per bloccare il rotore

Curva di potenza

Curva di potenza

Potenza nominale

La velocità nominale coincide con il rapporto divelocità periferica ottimale λott, a cui corrisponde ilmassimo fattore di potenza Cpmax

La potenza resa alla velocità nominale vienemantenuta costante fino alla velocità di cut-out perevitare sovraccarichi o per non scegliere ungeneratore sovradimensionato, che funzionerebbea regime massimo solo per un limitato periodo ditempo

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Po

we

r (k

W)

wind speed (m/s)

Curva di potenza aerogeneratori Ingegneria Reggio Calabria

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

En

erg

y p

rod

ucti

on

(k

Wh

/mo

nth

)

SkyLine SL10 SkyLine SL30

Produzione di energia aerogeneratori Ingegneria Reggio Calabria

Costi

Costo medio di produzione dell'energia eolica:

ca. 0.06 €/kWh, International Energy Agency (IEA)

Costo della potenza installata: circa 1500 €/kW;

per impianti micro-eolici: 2000- 3500 €/kW.

Vmedia (m/s) Produzione

(GWh/anno)

5 540

6 940

7 1500

Tipologia

Costi

Investimento

(€/kW)

Produzione

Energia

(€/kWh)

su terraferma 1500 0,04-0,07

off-shore 2000 0,08

Aerogeneratore

da 600 kW

Capacità installate 2011

Cina: 62 GW

USA: 47 GW

Germania: 29 GW

Spagna: 22 GW

India: 16 GW

Italia: 7 GW

Francia: 7 GW

Regno Unito: 6 GW

Canada: 5 GW

Portogallo: 4 GW

UE: 93 GW

Mondiale: 237 GW

Impatto ambientale

a) Non generano inquinamento atmosferico

b) Il principale impatto è dovuto all’intrusione visiva sul paesaggio

c) L’occupazione del suolo può risultare notevole a causa delladistanza (ca.7 diametri) a cui vanno poste le macchine per evitareinterferenze aerodinamiche. Tuttavia l’area effettivamente occupataè pari a circa il 10% dell’estensione e può essere quasi integralmenteutilizzata per fini agricoli.

d) Possono causare interferenze nelle telecomunicazioni, nellanavigazione aerea e nei ponti radio (per escluderle la distanzadall’impianto di trasmissione/ripetizione deve essere pari almeno a5 km)

e) Generano un moderato impatto acustico

f) Possono causare la morte di specie avicole e, in caso di rottura,danneggiare le colture