Impianto eolico, quello che devi sapere

ARGOMENTI TRATTATI

1. Energia eolica cos’è
2. Impianto fotovoltaico come è fatto, come funziona
3. Energia – Potenza
4. Parchi eolici
5. Profilo di una turbina eolica – Il rotore
6. Come è fatta una turbina
7. Organi di trasmissione
8. Moltiplicatore di giri
9. Generatore
10. Trasformatore
11. Sistemi di imbardata
12. Dispositivi ausiliari
13. Dimensioni
14. Lo schema
15. Impianto eolico ad asse verticale
16. Variazione velocità del vento con l’altitudine

ENERGIA EOLICA COSA E’

Il termine eolico deriva da Eolo (in greco antico Αἴολος), il dio dei venti nella mitologia greca.

L’energia eolica è una fonte energetica che sfrutta le capacità cinetiche connesse al vento per convertire questa fonte in energia meccanica e, a sua volta, in energia elettrica.

La differenza di pressione atmosferica è dovuta alla differenza di temperatura della Terra, conseguenza del riscaldamento non uniforme del Sole. Infatti, i raggi del sole colpiscono il nostro pianeta secondo angoli di incidenza differenti, in base a fattori quali latitudine e ora del giorno. Inoltre, intervengono anche aspetti legati al suolo, come ad esempio consistenza del terreno (sabbioso, roccioso, caratterizzato da vegetazione fitta o dalla presenza dell’acqua) e colore (terreno chiaro o scuro), mentre le grandi masse d’acqua, gli oceani, si riscaldano e si raffreddano più lentamente della terra.

Dai due punti di differente pressione atmosferica, si origina la forza del gradiente di pressione: tale forza preme su una massa d’aria per ristabilire l’equilibrio della pressione, da cui si genera il fenomeno del vento. Tale fenomeno si combina a quello prodotto dalla Forza di Coriolis, causato dalla rotazione della Terra che provoca il movimento di grandi masse d’aria.

Il principio è semplice: il vento fa girare le pale, come una girandola, che, a loro volta, fanno girare il generatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica grazie ad un motore elettrico.

COMPOSIZIONE E FUNZIONAMENTO

1. La torre, di altezza compresa tra i 30 e i 120 metri, innalza verso il cielo la navicella all’interno della quale sono ubicati i vari meccanismi che consentono di convertire il vento in elettricità. La velocità del vento cresce con la distanza dal suolo, motivo per il quale è necessaria questa altezza per le pale eoliche. Il diametro della fondazione in calcestruzzo armato è pari a circa 20 metri
2. All’estremità della navicella è presente un rotore – diametro tra i 20 e i 170 metri – composto da un mozzo su cui sono fissate le pale eoliche.
3. Sulla navicella della pala eolica sono presenti vari sistemi di controllo, per monitorare in continuazione i parametri di funzionamento della pala eolica e consentire di produrre energia rinnovabile in totale sicurezza, massimizzando l’efficienza all’interno di un parco eolico. 
4. La pala eolica (o aerogeneratore, o turbina eolica) di lunghezza variabile tra i 10 e gli 85 metri circa, è un piccolo capolavoro di ingegneria, dall’aspetto solo in apparenza elementare. La tipologia più diffusa è la classica pala eolica ad asse orizzontale viene fissata la pala solitamente pari a 3 (anche chiamate lame). Meno diffuse sono le pale eoliche ad asse verticale, poco utilizzate per problemi di resistenza all’aria. Le pale eoliche cominciano a ruotare grazie al movimento dell’aria, quindi alla velocità del vento. La velocità minima di avvio dipende dalla dimensione dell’impianto e può variare da un minimo di 2/3 metri al secondo ad un massimo di 6/7 metri al secondo. Ad alte velocità (20/25) metri al secondo l’aerogeneratore viene bloccato dal sistema di frenata per motivi di sicurezza.
5. La rotazione così generata viene trasmessa ad un generatore elettrico tramite un moltiplicatore di giri. Il generatore elettrico converte l’energia meccanica ricevuta in energia elettrica.
6. Un moltiplicatore di giri trasforma la rotazione lenta delle pale (tra i 18 e i 25 giri al minuto) in una rotazione più veloce (fino a 1800 giri al minuto) in grado di far funzionare il generatore di elettricità.
7. L’energia trasmessa, dopo essere stata opportunamente regolata da un trasformatore ad un livello di tensione adeguato viene trasmessa in rete da un inverter. Il trasformatore provvederà a trasferire l’energia elettrica da un circuito a un altro (la rete elettrica in questo caso), modificandone le caratteristiche.

Il funzionamento di una centrale eolica è garantito dalla presenza di un collegamento a tensione media e da un sistema di monitoraggio remoto.

In Italia la velocità misurata a 25-30 m dal suolo (altezza tipica per le mini turbine) difficilmente supera i 5-6 m/sec, che rappresenta una velocità scarsa secondo la classificazione vigente. Una regola generale valida per regimi di bassa ventosità è di scegliere turbine con potenza specifica (rapporto tra potenza nominale ed area della superficie spazzata dal rotore) non superiore a 250- 300 W/m2 per zone con 5-6 m/sec e non superiori a 200-250 W/m2 per zone con 4-5 m/sec.

ENERGIA – POTENZA

L’energia eolica è l’energia cinetica prodotta dall’aria in movimento e solitamente prende il nome di vento. Il totale di energia eolica che fluisce attraverso una superficie immaginaria A durante il tempo t è:

dove A è la superficie delle pale, ρ è la densità dell’aria, v è la velocità del vento; Avt è il volume di aria che passa attraverso la sezione A, considerata perpendicolare alla direzione del vento; Avtρ è quindi la massa m che passa per l’unità di tempo. (Notare che ½ ρv² è l’energia cinetica dell’aria in movimento per unità di volume).

La potenza è l’energia per unità di tempo. Nel caso dell’energia eolica incidente su A, per esempio l’area del rotore di una turbina eolica, è:

L’energia eolica in una corrente d’aria aperta è quindi proporzionale alla terza potenza della velocità del vento: la potenza disponibile aumenta quindi di otto volte se la velocità del vento raddoppia. Le turbine eoliche per la produzione di energia elettrica devono quindi essere particolarmente efficienti a una maggiore velocità del vento.

In Italia le pale girano lentamente: in un anno solo 0,4 nuovi Gigawatt. Una miseria.

Il diagramma in figura è relativo ad una turbina non di grande potenza (P = 600kW), e si può notare come il massimo venga raggiunto intorno ai 15 m/s di velocità del vento e resti costante fino ai 25 m/s, velocità alla quale si ha il cut out.

Oggi esistono turbine capaci di erogare una potenza massima di 3MW (in condizioni di ventosità di progetto) che presentano pale lunghe circa 40m (quindi un diametro rotorico di circa 80m) con torri alte tra gli 80 ed i 110m. 

PARCHI EOLICI

Si definisce parco eolico un gruppo di turbine eoliche poste nelle vicinanze e utilizzate per la produzione di energia elettrica.
Un grande parco eolico può essere composto da diverse centinaia di singoli generatori eolici distribuiti su una estesa superficie, ma la terra tra le turbine può essere utilizzata anche per scopi agricoli o altro. Un parco eolico può anche essere localizzato in mare aperto.

Quasi tutte le grandi turbine eoliche hanno lo stesso disegno: una turbina eolica ad asse orizzontale, con un rotore di bolina a tre lame, collegata a una navicella sulla cima di una torre tubolare.

In un parco eolico le singole turbine sono interconnesse con una linea di media tensione (spesso 34,5 kV) e reti di comunicazione. In una sottostazione la corrente elettrica di media tensione viene poi elevata ad alta tensione con un trasformatore per poi essere immessa nella rete di distribuzione.

I parchi eolici possono essere on-shore oppure off-shore:

• Impianti eolici on-shore: situati sulla terraferma, vengono solitamente costruiti in zone dove è presente normalmente un moto ventoso di una certa entità, che può essere sfruttato per la creazione di elettricità. Vengono realizzati su località distanti circa 3 km dalla più vicina costa. Le potenze prodotte arrivano fino ai 20 MW.
• Impianti eolici off-shore: vengono realizzati lontano dalla costa, direttamente sul mare, e consentono, grazie al moto ventoso, di realizzare la gran parte di energia elettrica ricavabile dall’eolico, grazie all’elevata stabilità. 

PROFILO DI UNA TURBINA EOLICA – ROTORE

Le pale di una turbina eolica solo adibite ad entrare in contatto con il flusso ventoso ed a subire una spinta propulsiva da quest’ ultimo; solitamente sono in fibre di vetro o polimetri vetrosi, in modo da migliorarne resistenza e robustezza, per poter sopportare raffiche ventose di violenta intensità a cui potrebbero essere soggette.

La pala non è un organo fisso, ma regolabile e grazie ad un supporto alloggiato sul mozzo, viene permessa la rotazione della pala, per la regolazione dell’angolo di pitch. La pala deve avere la stessa portanza lungo tutto il braccio, e quindi la medesima spinta.

Premesso che la portanza è direttamente proporzionale all’angolo d’attacco e l’angolo d’attacco varia con la velocità; essendo la velocità periferica delle pale crescente dal mozzo verso l’estremità, per mantenere costante la portanza dovrà essere per forza modificato il calettamento.

l calettamento diminuisce man mano che aumenta sul profilo dell’elica la velocità periferica allontanandosi dal mozzo. Quindi bisogna diminuire l’angolo {β} per mantenere un buon angolo d’attacco {α} che è l’angolo tra l’asse della pala e la velocità risultante tra quella di rotazione della pala e quella del flusso ortogonale alla pala.

Le forze aerodinamiche variano con il quadrato della velocità locale e crescono rapidamente con il raggio, importante quindi è progettare le sezioni più vicine alle estremità della pala in modo tale che abbiano buona portanza e scarsa resistenza.

A = π * R²

dove A è la superficie spazzata dal vento, R il raggio della pala.

Ovviamente, in generale maggiore sarà la superficie spazzata e più grande sarà la producibilità della turbina.

La sezione della pala di una turbina eolica è piuttosto spessa, allo scopo di ottenere l’elevata rigidità necessaria per resistere ai carichi meccanici variabili che agiscono su di essa nel corso del funzionamento, durante la sua vita utile la pala è soggetta a carichi variabili che determinano usura, e ciò costituisce la maggiore difficoltà tecnica nella progettazione delle pale.

È necessario, inoltre, effettuare un’analisi accurata per eliminare il rischio di risonanza tra i diversi oscillatori meccanici (pale, torre, organi di trasmissione, ecc.).
I fulmini costituiscono una delle principali cause di avaria; viene perciò fornita una protezione attraverso l’istallazione di conduttori, sia sulla superficie della pala, sia al suo interno.

La immagine seguente riporta la risultante delle forze agenti su ogni singola pala e velocità e direzione in cui incide il flusso ventoso su di essa.

Le pale sono in fibra di vetro e in materiali compositi.

ROTORI

Il rotore eolico è parte essenziale dell’impianto, anzi può a buon ragione essere considerato il cuore del sistema. Esso è costituito da un mozzo su cui sono ancorate più pale.

I rotori sono ad asse orizzontale di tipo:

• 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 ovvero nella stessa direzione e verso opposto. Hanno caratteristiche di costo e prestazioni intermedie rispetto a quelli degli altri due tipi; 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, ognuna di queste pale può essere collegata al mozzo da un regolatore angolare Pitch, il quale varia l’angolo di incidenza della singola pala accrescendo o diminuendo la forza risultante.

I rotori a due pale sono meno costosi e girano a velocità più elevate. Sono però più rumorosi e sono soggetti a maggiori vibrazioni rispetto ai modelli a tre pale. Tra i due, la resa energetica è quasi equivalente. 

Sono anche stati messi a punto rotori con pale “mobili”: variando l’inclinazione delle pale in base alla velocità del vento è possibile mantenere costante la quantità di elettricità prodotta dall’aerogeneratore.  

COME E’ FATTA UNA TURBINA EOLICA

La turbina eolica è il componente funzionale fondamentale per la creazione di impianti eolici e prevede l’esistenza di vari organi meccanici, adibiti alla produzione e conversione dell’energia meccanica in energia elettrica, che poi dovrà essere immessa nella rete locale.

ORGANI DI TRASMISSIONE

• Le pale sono collegate al mozzo che ospita i meccanismi di regolazione del pitch.
• Il mozzo è di solito un pezzo di acciaio o di ferro a grafite sferoidale ed è protetto esternamente da un involucro di forma ovale, lo spinner.
• L’albero del rotore è sostenuto da supporti e ruota a velocità relativamente bassa. 

MOLTIPLICATORE DI GIRI

Finora la maggioranza delle turbine  – circa l’80% – è dotata di moltiplicatore, il resto è a presa diretta o è ibrido. 

Il moltiplicatore di giri è impiegato per incrementare la velocità del rotore fino ai valori richiesti dai generatori convenzionali. Ciò perché generalmente i rotori delle turbine eoliche girano a velocità molto basse. Tipici rapporti del moltiplicatore possono superare gli 1:100.

I moltiplicatori continueranno a giocare un ruolo molto importante in ermini di costo, con l’obiettivo primario di una maggiore affidabilità e sicurezza operativa. 

Gli ingranaggi planetari dei moltiplicatori sono spesso dotati di cuscinetti a pieno riempimento di rulli cilindrici, cioè senza gabbia. A seguito dell’esistenza di contatti diretti tra i rulli, tali cuscinetti, di elevata capacità di carico, sviluppano di solito più attrito dei corrispondenti tipi con gabbia.

Il moltiplicatore di giri è quindi una sorgente di rumore, che i produttori si sforzano di ridurre, per esempio utilizzando moltiplicatori elicoidali invece di moltiplicatori ad assi paralleli. 

GENERATORE

Il generatore è l’unità di trasformazione dell’energia meccanica in potenza elettrica. Vi sono due tipi principali di generatori: asincroni e sincroni.

La grande differenza tra i due è la velocità di rotazione. Infatti il generatore sincrono deve ruotare a velocità costante e viene magnetizzato (eccitato) da una fonte di alimentazione dedicata, mentre il  generatore asincrono può ruotare ad una velocità non costante (sempre però nell’intorno della velocità di sincronismo), dove la differenza tra la velocità di rotazione e di sincronismo è chiamata slip e viene magnetizzato dalla rete stessa quindi ha bisogno che la rete sia già attiva per partire.

Il generatore più diffuso è il sincrono ed è inoltre il più versatile per le regolazioni di tensione e di frequenza, ciò perché può funzionare sia come generatore, sia come motore, a seconda del valore della velocità di rotazione.

Il sincronismo riguarda la velocità di rotazione del campo magnetico rispetto a quella del rotore.

Nei generatori di potenza maggiore, il rotore è di tipo avvolto ed è alimentato dall’esterno in corrente continua da un apposito sistema di eccitazione. Lo statore è collegato alla rete elettrica tramite un trasformatore che porta la tensione da 690 V a 20 kV o altre tensioni dello stesso ordine di grandezza.

Per mantenere costante la velocità di rotazione del mozzo (che è collegato all’asse del generatore con un moltiplicatore di giri) viene variato il passo delle pale. Se la velocità del vento scende, scende anche quella del mozzo, quindi vengono orientate le pale in modo da avere più incidenza e quindi generare più coppia. 

TRASFORMATORE

Il livello di tensione di uscita del generatore è relativamente basso e deve essere aumentato a un livello medio  per mezzo di un trasformatore, per ridurre le perdite di trasmissione.

I cavi elettrici flessibili, che collegano la gondola alla base della torre, formano un anello al di sotto della gondola, per consentirne i movimenti di imbardata. Tali movimenti vengono monitorati: se la rotazione è superiore a due giri, la gondola viene imbardata in direzione opposta durante il periodo successivo di assenza di vento, per sbrogliare i cavi. 

SISTEMA DI IMBARDATA

Lo scopo principale del sistema si imbardata è quello di far ruotare l’intera gondola sulla sommità della torre affinché il rotore fronteggi sempre il vento.

• regolazione attiva dell’imbardata: le turbine di media e grande taglia sono dotate di un sofisticato servomeccanismo, regolato da un anemometro, che garantisce l’allineamento ottimale tra l’asse del rotore e la direzione del vento.

• regolazione passiva dell’imbardata: per orientare la navicella in base alla direzione del vento, le turbine di piccola taglia sono dotate di un semplice timone (o banderuola) direzionale.Il sistema di controllo della potenza ha la funzione di ottimizzare la potenza erogata, al variare della velocità del vento. Esistono due tipologie di sistemi di controllo della potenza. 

DISPOSITIVI AUSILIARI

I principali dispositivi ausiliari all’interno della gondola sono:

• un freno meccanico installato sull’albero di rotazione veloce per bloccare la rotazione in condizioni meteorologiche avverse o per permettere la manutenzione;
• un dispositivo a presa diretta dalla rete, qualora necessario, di uno start di avvio della rotazione delle pale a velocità basse del vento
• un dispositivo idraulico per lubrificare il moltiplicatore di giri o altre parti meccaniche; scambiatori di calore per il raffreddamento dell’olio e del generatore.

Sulla sommità della gondola sono collocati anemometri e banderuole per il controllo della turbina, luci di segnalazione per la navigazione aerea, una piattaforma di supporto agli elicotteri. 

DIMENSIONI

• Piccola taglia (1-200 kW): diametro del rotore, 1-20 metri; altezza torre, 10-30 metri.
• Media taglia (200-800 kW): diametro rotore, 20-50 metri; altezza torre, 30-50 metri.
• Grande taglia (oltre 1000 kW): diametro rotore: 55-80 metri; altezza torre: 60-120 metri.

La più grande turbina al mondo funzionante è la Mhi Vestas V164 da 8MW: ognuna delle sue tre pale è lunga 80 metri e pesa 33 tonnellate. 

clicca sulla immagine per ingrandire

LO SCHEMA

IMPIANTO ELOLICO AD ASSE VERTICALE

Le pale verticali sono ideali soprattutto per impianti di piccola e media potenza (massimo 200 kW di potenza nominale). Diciamo ad uso domestico. Più in generale, l’eolico verticale è adatto per tutti gli utenti residenziali, agricoli e industriali di piccole-medie dimensioni ubicati in siti non caratterizzati da forti venti dominanti, bensì da venti più deboli soggetti a forte variabilità.

Il loro funzionamento rimane costante indipendentemente dalla direzione del vento; la turbina si aziona anche a piccole spinte del vento.

I principali vantaggi dell’asse verticale rispetto al più tradizionale eolico orizzontale sono i seguenti:

• (1) il funzionamento costante, a prescindere dalla direzione del vento;
• (2) il fatto che la turbina si aziona già a piccole velocità del vento;
• (3) la migliore resistenza alle alte velocità dei venti ed alla loro turbolenza;
• (4) lo scarso ingombro e la compattezza;
• (5) la silenziosità.

Le turbine eoliche ad asse verticale presentano diverse forme delle pale,

Le turbine eoliche ad asse verticale, come dice il nome stesso, si differenziano dalle tradizionali soprattutto per la posizione dell’asse del rotone, anche se la classificazione più corretta sarebbe quella sulla base del tipo di forza aerodinamica da esse sfruttata.

Il motivo per il quale le turbine ad asse verticale producono una maggiore energia sfruttabile elettricamente è, quindi, molto semplice. Tuttavia per determinare matematicamente questa energia si usano complesse formule appartenenti all’ambito aerodinamico.
Ciò dipende essenzialmente dalla geometria delle pale e della turbina e dall’inclinazione delle stesse pale, oltre che dalla velocità del vento.
I profili ad asse verticale, infatti, consentono una minore perdita di energia nel passaggio dal meccanica a elettrica, che nelle turbine ad asse orizzontale è di molto superiore, aggirandosi intorno al 60%.

Gli impianti eolici “autonomi” – normalmente chiamati stand-alone – sono sistemi non connessi alla rete elettrica esterna, i quali accumulano in delle batterie l’energia in eccesso rispetto a quella autoconsumata immediatamente.
Altri tipici componenti degli impianti stand-alone sono il regolatore di carica, il quale regola l’energia che entra ed esce dalle batterie, l’inverter (che trasforma la corrente continua in alternata alla tensione di rete) ed un eventuale sistema elettrogeno “di riserva” , che entra in funzione quando l’eolico non può operare per assenza di vento o non può soddisfare un’eccessiva richiesta di energia. 
Gli impianti stand-alone, che possono essere anche sistemi “ibridi” (ad es. fotovoltaico-eolico), vengono di solito usati per alimentare a basso costo utenze non raggiunte – o costosamente servite – dalla rete elettrica (in montagna, in piccole isole, etc.) o dispositivi particolari (ad es. sistemi di irrigazione) in aree isolate.  

VARIAZIONE DEL VENTO CON L’ALTEZZA DAL SUOLO

Galileo Galilei, già nel XV secolo affermava che “È più facile studiare il moto di corpi celesti infinitamente lontani che quello del ruscello che scorre ai nostri piedi.”

Questa difficoltà e complessità è ancora oggi parzialmente irrisolta nel determinare la variazione di velocità del vento con l’altezza. In fisica è chiamata roughness (scabrezza, frizione del terreno dovuto ad ostacoli, turbolenze).

Quando si parla di roughness coefficient nell’eolico ci si riferisce alla misura di scabrezza del terreno prendendo la quota zero del suolo come riferimento.

 Maggiore è la forza di frizione maggiore sarà il disturbo che questa esercita sul vento che passa vicino al suolo. Generalmente l’andamento del vento con l’altitudine segue un profilo logaritmico. Il profilo di vento medio sarà un profilo in forte crescita all’aumentare dell’altitudine.

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