Energetica e fonti rinnovabili - Appunti

EOLICO

Concetti fondamentali

- Un generatore eolico è un apparato che trasforma l'energia cinetica del vento in energia elettrica.

- I normali generatori ad asse orizzontale di potenza superiore al MW hanno un'efficienza del 40-

50%, ma i piccoli generatori ad asse verticale adatti per essere installati sul tetto di un edificio non

superano il 30%.

- In generale, i generatori eolici funzionano per velocità del vento superiori a 4-5 m/s. Inoltre,

maggiore è l'altezza dal suolo delle pale, e maggiore risulta la velocità del vento e dunque – a parità di

altri fattori – l'energia prodotta.

- Un generatore eolico dovrebbe essere installato in un luogo in cui vi sia un flusso di vento il più

possibile non turbolento e costante durante l'anno.

- Situazioni del genere si presentano in luoghi pianeggianti e privi di ostacoli: la superficie marina

(generatori offshore) è fra le più indicate.

Classificazione delle turbine

In base alla potenza:

In base all’asse di rotazione:

- Turbina ad asse orizzontale (HAWT, Horizontal Axis Wind Turbine)

- Turbina ad asse verticale (VAWT, Vertical Axis Wind Turbine) (quasi sempre a 3 pale)

-

Analisi aerodinamica della pala (HAWT)

Le forze in gioco sono: W forza di gravità (↓)

w forza di galleggiamento (↑)

T thrust (spinta): propulsione (→)

A forza aerodinamica (↖), che bilancia le

altre forze perchè se v=cost allora a=0,

quindi Σ = Σ = 0.

A=L+D, con

L: Lift (portanza), D: Drag (resistenza)

Il motivo per cui un aereo può volare è

che l'aria che scorre lungo la superficie

superiore dell'ala si muoverà più

velocemente rispetto alla superficie

inferiore. Ciò significa che la pressione

sarà più bassa sulla superficie superiore.

Questo fa sì che si crei una forza di

sollevamento (lift), ovvero la forza di

trazione verso l'alto, perpendicolare alla

direzione del vento, che consente

all'aereo di volare.

Triangolo delle velocità sulla pala… Sulla pala agiscono due flussi d’aria dipendenti da:

̅

- Vento che entra nel tubo di flusso con velocità parallela all’asse della turbina

1 ̅

- Rotazione della pala stessa che crea una componente di velocità di trascinamento

̅

perpendicolare a e pari al prodotto della velocità angolare del rotore per la distanza dal

1

̅

mozzo =

̅ .

̅ ̅ ̅

La velocità risultante, in un sistema di riferimento solidale con la pala, sarà pari a il cui

= +

1

√̅ ̅

modulo vale .

2 12

= +

Il flusso d'aria risultante fa nascere due forze:

- forza di portanza , perpendicolare alla direzione del flusso d'aria risultante

- forza di resistenza , parallela alla direzione del flusso d'aria risultante

La componente della forza risultante F, parallela a , è la forza motrice , che genera la coppia

motrice; quella ad essa perpendicolare è la forza assiale .

Si definiscono inoltre i due angoli (la cui somma è pari all'angolo fra V e ):

- = angolo di attacco, scostamento angolare tra la direzione del flusso d'aria risultante e la

corda massima della sezione della pala

- = angolo di calettamento (pitch), scostamento angolare tra il piano di rotazione dell'asse

della pala e la corda massima della sezione della stessa

Turbine Darrieus (sfrutta la portanza L)

La turbina è costituita da una serie di pale ricurve a profilo alare montate su un albero o struttura

rotante.

Ci sono grosse difficoltà nel proteggere la turbina Darrieus da condizioni di vento estreme e nel

renderla ad avviamento automatico.

Questa disposizione è ugualmente efficace indipendentemente dalla direzione in cui soffia il

vento, a differenza del tipo convenzionale, che deve essere ruotato per essere rivolto verso il vento.

Turbine Savonius (sfrutta la resistenza D)

Di basso impatto estetico e facilmente integrabile negli edifici, la turbina di Savonius è poco

rumorosa. Prende avvio a deboli velocità di vento e presenta una coppia di torsione elevata,

sebbene variabile in modo sinusoidale nel corso della rotazione.

L'impatto visivo rapportato a dimensioni importanti rende il mulino a vento di tipo Savonius poco

adatto alle grandi produzioni di energia di un parco eolico.

Essendo dispositivi a resistenza aerodinamica, le turbine di Savonius, a parità di ingombro,

sfruttano la forza del vento meno efficacemente di quelle a palo ed asse orizzontale. Il massimo

coefficiente di potenza misurato con una turbina Savonius è circa 0,25.

Le turbine di Savonius sono utilizzate nei casi in cui il costo o l'affidabilità sono più importanti

dell'efficienza.

Per esempio, la gran parte degli anemometri sono turbine di Savonius, perché l'efficienza è

assolutamente irrilevante per tali applicazioni, mentre turbine di Savonius molto più grandi, installate

su boe in acque profonde, sono state utilizzate per generare elettricità, laddove si ha necessità di

scarse potenze elettriche e bassa manutenzione. La progettazione è facilitata perché,

contrariamente alle turbine ad asse orizzontale, non sono necessari meccanismi di orientamento

sulla direzione variabile del vento e la turbina è capace di auto avviarsi.

Per definire l’efficienza di trasformazione da energia cinetica a energia meccanica si utilizza il power

coefficient : rapporto tra potenza disponibile e potenza estraibile.

La potenza estraibile è minore di quella disponibile per la conservazione della massa: se si estraesse

1

tutta l’energia cinetica la velocità in uscita sarebbe nulla e non si conserverebbe la massa. ( ~ )

2 3

Coefficienti di potenza caratteristici ( )

Turbine ad asse orizzontale (che sono più del 95% nel mondo)

Numero di pale

- Turbine bipala sono più economiche, ma di solito necessitano una maggiore velocità di rotazione

causando flickering (effetto di ombra/luce fastidioso per l’occhio umano) e sono intrinsecamente

meno efficienti.

- Per il minieolico sono spesso utilizzati i sistemi a cinque pale, con un piccolo incremento di

performance rispetto al tripala.

- In sistemi a tre pale, la velocità di rotazione del rotore è circa 10-50 RPM, mentre quella del

generatore è 1,000-3,000 RPM. Pertanto, è necessaria l’installazione di un riduttore/ moltiplicatore

(gearbox), posizionato tra l'albero del rotore a bassa velocità e l'albero del generatore ad alta velocità.

Alcune turbine sono invece dotate di generatori multipolari, che ruotano così lentamente che non è

necessaria alcuna gearbox.

Torsione della pala

Avvicinandosi al mozzo, la velocità tangenziale si riduce, e dunque aumenta l'angolo di attacco,

con rischio di stallo. La torsione della pala (blade twist angle) compensa la riduzione della velocità

tangenziale. Si osservi la progressiva torsione della sezione, visibile attraverso la rotazione della corda

massima della sezione, andando dalla punta dell'ala al mozzo.

Terminologia

Componenti - Il rotore, con le sue pale, trasforma

l’energia cinetica del vento nella

rotazione di un albero (albero a bassa

velocità). La portanza delle pale del

rotore è l’aspetto più importante del

progetto della HAWT.

- L’albero a bassa velocità, tramite un

sistema di trasmissione e degli

ingranaggi di moltiplica, trasmette

tale movimento a un albero ad alta

velocità e da questo a un generatore

elettrico, che genera una potenza

proporzionale alla differenza fra la

coppia aerodinamica e quella

elettrica.

Questi dispositivi (albero a bassa velocità, sistema di trasmissione e generatore) sono contenuti in

una navicella (o gondola), su cui è collocato un anemometro, che misura la velocità del vento ed

invia le informazioni a un sistema di controllo. Questo, anch’esso contenuto nella navicella,

comanda:

- il sistema di orientamento al vento della navicella;

- il sistema di sicurezza per ridurre la velocità di rotazione del rotore (ed eventualmente

arrestarlo) se il vento supera una determinata intensità, e costituito da freni che possono

essere meccanici, elettrici, aerodinamici.

- Una torre di altezza e di dimensioni adeguate provvede a sorreggere la navicella ed a sopportare il

carico del vento.

La navicella

Le pale

Le pale devono essere resistenti e il più leggere possibile per minimizzare gli stress strutturali, che

contribuiscono alla loro usura: questo perché il peso di un rotore cresce con il cubo del suo raggio.

Si utilizzano materiali compositi rinforzati con fibra di vetro (più economica, a base di Silicio) o fibra di

carbonio (più resistente e costosa), oppure -per i modelli più piccoli -in alluminio, plastica o legno

ricoperto da un opportuno rivestimento.

Con tali materiali oggi vengono fabbricate pale lunghe fino a quasi 100 metri.

Sistema di frenatura

Per tutte le turbine deve essere previsto un sistema di frenatura, possibilmente sia di tipo

aerodinamico (stallo passivo/attivo) che di tipo meccanico (disco o frizione).

Nel caso di piccole turbine (1-5 kW) si usa anche il controllo per imbardata, che consiste nel deviare il

rotore fuori dal vento. Questo sistema, però, sottopone il rotore ad uno stress ciclico che alla lunga

può danneggiare l’intera struttura.

Comunemente i tipi di freni meccanici sono:

- freni a disco: disco metallico fissato all’albero che deve essere frenato. Durante la fase di

frenamento delle pinze ad azionamento idraulico premono delle pastiglie contro il disco,

creando una coppia frenante opposta a quella motrice.

- freni a frizione: consistono in un piatto di pressione ed un piatto di frizione. L’azionamento di

questo tipo di freni è attuato attraverso delle molle che esercitano un’opportuna pressione,

mentre vengono rilasciati mediante aria compressa o un fluido idraulico.

I freni meccanici possono essere posizionati sull’albero a bassa velocità, dove richiedono una coppia

frenante maggiore, oppure su quello ad alta velocità, dove subiscono maggior usura.

Torri eoliche

- Torri in acciaio tubolare: fabbricate in sezioni di 20-30 metri flangiate alle estremità e imbullonate

sul posto. Sono coniche per aumentare robustezza e risparmiare materiale. Sono usate per le turbine

più grandi.

- Torri reticolari: fabb