Il kite wind generator

I.T.I.S. “A. Artom”

Asti

2007 – 2008 Marco Tiani

I.T.I.S. “A. Artom” – Asti - Esame di maturità 2007/2008 – Il Kite Wind Generator

Sommario

Introduzione _______________________________________________________________ 3

L’energia ________________________________________________________________________ 3

Le energie rinnovabili ________________________________________________________ 4

L’energia eolica ___________________________________________________________ 5

Il vento _________________________________________________________________________ 5

Come si forma il vento ______________________________________________________________________ 5

Il vento ad alta quota ________________________________________________________________________ 5

Misurazione del vento _______________________________________________________________________ 6

L’energia eolica _______________________________________________________________ 7

Aerogeneratori ________________________________________________________________ 9

Le wind-farm ______________________________________________________________________________ 9

Gli impianti offshore _______________________________________________________________________ 10

Il Kite Wind Generator ___________________________________________________ 11

Mobilgen _______________________________________________________________________ 11

Principio di funzionamento __________________________________________________________________ 12

Sensori __________________________________________________________________________________ 12

Manovra del kite __________________________________________________________________________ 12

Sistema di controllo ________________________________________________________________________ 13

Eventi improvvisi _________________________________________________________________________ 13

Le funi __________________________________________________________________________________ 13

La centrale Kite Wind Generator ___________________________________________ 14

Zone adatte alla costruzione _________________________________________________________________ 15

Potenza generata __________________________________________________________________________ 15

Impatto ambientale ________________________________________________________________________ 17

Impatto visivo e scenico ____________________________________________________________________ 17

Curiosità ________________________________________________________________________________ 17

Elettrotecnica ___________________________________________________________ 18

Macchina a corrente continua ______________________________________________ 18

La dinamo ______________________________________________________________________ 19

Principio di funzionamento __________________________________________________________________ 19

Avvolgimento embricato & avvolgimento ondulato _______________________________________________ 20

Funzionamento a vuoto della dinamo __________________________________________________________ 22

Reazione d'indotto della dinamo ______________________________________________________________ 22

La commutazione nella dinamo ______________________________________________________________ 24

Avvolgimenti compensatori _________________________________________________________________ 26

Poli ausiliari _____________________________________________________________________________ 26

English version ___________________________________________________________ 27

Renewable energy ____________________________________________________________ 27

Wind power ____________________________________________________________________ 27

Kite Gen ________________________________________________________________________ 27

Power station _________________________________________________________________ 28

Environmental concern _____________________________________________________ 29

Scenic and visual impression ________________________________________________________________ 29

Shadows ________________________________________________________________________________ 29

Birds ___________________________________________________________________________________ 29

Noise ___________________________________________________________________________________ 29

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Introduzione

L’energia

Energia, dal greco energheia (azione efficace), è il termine che dall’inizio del seicento viene usato nell’accezione moderna di energia fisica.

Fino a che gli esseri umani non impararono come accendere un fuoco, lo sfruttamento dell’energia solare rappresentava la fonte più immediata di luce e calore. Per molti secoli qualsiasi tipo di lavoro poteva essere svolto solo per mezzo della forza muscolare umana o animale.

Fin dall’inizio della sua storia l’uomo ha costruito impianti di sollevamento e congegni che permettessero di compiere sforzi con minor fatica; l’acqua ed il vento furono tra le prime fonti di energia sfruttate dall’uomo attraverso l’impiego dei mulini.

Nel 1712, con l’invenzione della macchina a vapore, inizia l’era industriale.

Inizialmente l’energia era prodotta nelle vicinanze del luogo in cui veniva consumata, ma ben presto, per poter soddisfare le nuove esigenze energetiche legate all’industrializzazione, sorsero delle centrali per la distribuzione del gas e dell’elettricità.

I vantaggi di queste nuove forme di energia consistevano sia nella possibilità di trasporto su grandi distanze senza grosse perdite energetiche tramite reti di distribuzione, sia nella varietà del loro impiego.

Con il progredire dell’industrializzazione, divenne necessario scoprire nuove fonti di energia.

Nel XX secolo inizia la cosiddetta “Era delle reti”; il rifornimento energetico avviene tramite sistemi di trasporto collegati tra loro come oleodotti o linee elettriche: il luogo di produzione e il luogo di consumo dell’energia possono anche essere molto distanti l’uno dall’altro.

Per queste ragioni accanto alle tradizionali risorse energetiche (carbone, legno), se ne aggiunsero delle nuove come il metano, il petrolio e l’uranio. Inoltre la corrente elettrica acquistò maggior importanza (sia come forma di energia secondaria che finale).

Con l’impiego dell’energia nucleare si pensò di aver finalmente trovato una soluzione al problema energetico; ma le scorie nucleari e la radioattività crearono ben presto nuovi problemi.

La crisi petrolifera del 1974 rese consapevoli dell’esauribilità delle scorte petrolifere dando un decisivo impulso alla ricerca di fonti energetiche alternative rinnovabili. 3

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Le energie rinnovabili

L’energia presente sul pianeta arrivava per il 99% dall’esterno per lo più dal sole sotto forma di radiazione e in parte anche dalla luna sotto forma di attrazione gravitazionale, l’1% dell’energia prodotta dalla terra è quella geotermica, nucleare e vulcanica.

Le FER (Fonti di Energia Rinnovabili) sono quelle fonti che, a differenza dei combustibili fossili e nucleari destinati ad esaurirsi in un tempo definito, possono essere considerate inesauribili e si distinguono in:

• Idraulica
• Eolica
• Solare
• Biomasse
• Geotermica
• Mareomotrice
• Moto ondoso
• Correnti marine e di marea
• Gradiente termico

Con opportune tecnologie è possibile convertire queste fonti in energia termica, elettrica, meccanica o chimica.

Le fonti non rinnovabili sono, invece, quelle fossili (carbone, petrolio e gas naturale) ed il nucleare.

Il ricorso all’impiego di queste ultime, oltre a produrre energia, comporta l’immissione in atmosfera di sostanze inquinanti che sono la causa della formazione dello smog fotochimico, delle piogge acide e sono responsabili dell’aumento del naturale effetto serra del pianeta e del buco dell’ozono.

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Il tutto è accompagnato da pesanti danni all’ecosistema come, ad esempio, gravi patologie respiratorie e cardiovascolari per l’uomo, mutazioni genetiche e calamità naturali.

Si definisce comunemente buco nell'ozono la riduzione temporanea dello strato di ozono (ozonosfera) che avviene ciclicamente durante la primavera nelle regioni polari (la diminuzione può arrivare fino al 70% nell'Antartide e al 30% nella zona dell'Artide). Per estensione il termine viene utilizzato per indicare il generico assottigliamento dello strato di ozono della stratosfera che si è riscontrato a partire dai primi anni ottanta (stimata intorno al 5% dal 1979 al 1990).

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La ricerca di fonti rinnovabili è iniziata in modo consistente dopo la crisi petrolifera degli anni ’70 che ha evidenziato come l’umanità dipenda dal petrolio.

L’Unione Europea ha stabilito che entro il 2020 il 20% dell’energia consumata dovrà essere generata da fonti rinnovabili e il 10% del consumo di energia per i trasporti dovrà essere fornita da biocarburanti.

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La diffusione delle FER esige, tuttavia, il superamento di una serie di barriere: costi elevati, tecnologia inadeguata, ricerca scientifica insufficiente, intermittenza nella produzione, eccessiva burocrazia delle pratiche di autorizzazione dovuta ad una scarsa chiarezza nell’applicazione della normativa.

L’energia eolica

Il vento

Il vento è un fenomeno utilizzato dapprima per la navigazione, poi per l'irrigazione e la lavorazione di prodotti agricoli, il suo sfruttamento risale agli albori della civiltà umana ed è ancora oggi utilizzato come fonte d’energia.

Come si forma il vento

La terra cede all’atmosfera il calore ricevuto dal sole, ma non lo fa in modo uniforme.

Nelle zone in cui viene ceduto meno calore la pressione dei gas atmosferici aumenta, mentre dove viene ceduto più calore l’aria diventa calda e la pressione dei gas diminuisce.

Si formano così aree di alta pressione e aree di bassa pressione, influenzate anche dalla rotazione della terra.

Il vento è dunque lo spostamento d’aria, più o meno veloce, tra zone di diversa pressione.

Tanto più alta è la differenza di pressione, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria, tanto più forte sarà il vento.

Il vento ad alta quota

La potenza del vento cresce al cubo con l'aumentare della sua velocità e decresce linearmente con il diminuire della densità dell’aria.

Salendo in quota si trova vento mediamente più veloce ma aria meno densa; ad un’altezza compresa tra gli 800 e i 1.000 metri di altitudine la densità dell’aria è circa il 90% della densità presente al suolo mentre la velocità del vento è mediamente tre volte maggiore (circa 9 m/s); la potenza specifica del vento tende quindi sempre a crescere fino a circa 10.000 metri di altitudine.

Il biocarburante è un propellente ottenuto in modo indiretto dalle biomasse: grano, mais, bietola, canna da zucchero, ecc. 5

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Il vento presente a 800 m d’altezza ha la caratteristica di essere quasi sempre presente (circa 7000-8000 ore annue e potenza specifica di 200 W/m²), esso inoltre, soffiando in modo costante, non crea il problema dell’intermittenza che si verifica a bassa quota.

Misurazione del vento

Per misurare la velocità del vento viene utilizzato l’anemometro inventato nel XVII secolo da Robert Hooke, il principio di funzionamento di questo apparecchio consiste nel far ruotare un rotore in miniatura alla velocità del vento, la velocità di rotazione è poi trasformata meccanicamente o elettronicamente in una serie di numeri.

Robert Hooke (Freshwater, Isola di Wight, 18 luglio 1635 – Londra, 3 marzo 1703) è stato un fisico, biologo, geologo e architetto inglese. Fu uno dei più grandi scienziati del Seicento e una delle figure chiave della rivoluzione scientifica. 6

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L’energia eolica

L’energia eolica è l’energia posseduta dal vento.

L’uomo ha impiegato la sua forza sin dall’antichità, per navigare e per muovere le pale dei mulini utilizzati per macinare cereali, per spremere olive o per pompare acqua.

Solo da pochi decenni l’energia eolica viene impiegata per produrre elettricità.

I moderni mulini a vento sono chiamati aerogeneratori, il loro principio di funzionamento è lo stesso dei mulini a vento, ma nel caso degli aerogeneratori il movimento di rotazione delle pale viene trasmesso ad un generatore che produce elettricità.

Durante la crisi energetica degli anni ’70, in California, si realizzò la prima “wind farm” con oltre 200 aerogeneratori.

In Italia le prime macchine eoliche sono state installate nel 1990, ma solo dal 1996 si è avuto un significativo numero di impianti collegati alla rete di distribuzione elettrica.

Il primo prototipo di aerogeneratore fu installato nel 1989 ad Alta Nurra in Sardegna; a distanza di oltre 10 anni esistono delle vere centrali eoliche, alcune delle quali sono costituite da più di 50 aerogeneratori di media taglia (600 kW l’uno). 7

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Aerogeneratori

L’aerogeneratore è un sistema utilizzato per trasformare l’energia del vento in energia meccanica di rotazione la quale viene ulteriormente trasformata in energia elettrica mediante l’impiego di macchine elettriche. In base alla posizione del rotore vengono classificati in due categorie:

• Macchine ad asse verticale in cui l’asse del rotore è posto perpendicolare alla direzione del vento.
• Macchine ad asse orizzontale in cui l’asse del rotore è posto parallelo alla direzione del vento.

Gli aerogeneratori ad asse verticale hanno il vantaggio di non doversi orientare secondo la direzione del vento, ma sono meno utilizzati anche perché la loro efficienza è fino al 30% inferiore rispetto a quelli ad asse orizzontale.

Quelli ad asse orizzontale rappresentano la quasi totalità degli aerogeneratori installati nel mondo e sono composti dai seguenti elementi: 1 rotore, 2 sistema frenante,