Energia eolica - seconda parte

METEOROLOGIA:

La meteorologia è quella branca della geofisica che studia l’atmosfera

terrestre. Si occupa dei mutamenti e dei movimenti della massa gassosa al fine

di prevederne le evoluzioni. Si suddivide questa scienza di 4 discipline distinte:

1. Meteorologia: studia movimenti di grandi masse d’aria effettuando

previsioni a livello continentale o mondiale (macroclima)

2. Climatologia: prende in considerazione gli eventi climatici di regioni o

nazioni (mesoclima) (di interesse per turbine eoliche, per i venti)

3. Aerologia: si occupa di masse d’aria dell’ordine di qualche km. (clima

locale), utile per inquinamento

4. Microclimatologia: considera gli strati più bassi dell’atmosfera che tiene

conto della conformazione del territorio. (esempio clima di una serra)

(misura la turbolenza dell’aria) (mi interessa per capire turbolenza)

GRANDEZZE TERMODINAMICHE – PRESSIONE

La pressione riveste un ruolo fondamentale perché regola i movimenti delle

masse d’aria, crea piovosità, cambia direzione e intensità del vento.

La pressione è legata al peso delle molecole d’aria sovrastanti. La loro densità

diminuisce con l’altezza ed anche la pressione diminuisce all’aumentare della

quota per il ridotto numero di particelle via via presenti al di sopra. Sul livello

del mare la pressione standard è di 101325 Pascal. Per le misurazioni si usano i

hPa e i millibar. La pressione standard sarà quindi di 1013.25 hPa e di 1013.25

mb.

L’andamento della pressione è esponenziale e così è l’andamento della densità

dell’aria.

Bastano piccolissime variazioni di pressione per avere cambiamenti climatici

importanti: sopra i 1050 mb ho alta pressione non ho vento col valore più



alto mai registrato di 1084mb

sotto la pressione standard il vento tende ad aumentare (ho bassa pressione a

980mb) fino ad avere veri e propri uragani. (a circa 890mb) Con la bassa

pressione quindi l’aria si scalda e sale lasciando un vuoto che viene colmato da

altra aria. Salendo si addensa sopra la bassa pressione che quindi riscende

come aria fredda.

I VENTI

Per comprendere l’origine dei venti globali bisogna partire dal bilancio

energetico tra Sole e Terra. La superficie terrestre riceve calore sia

direttamente dal Sole, sia dall’atmosfera sotto forma di radiazione infrarossa.

Nel corso dell’anno entrate e uscite energetiche si bilanciano, evitando

variazioni della temperatura media globale. Tuttavia, la distribuzione del

riscaldamento non è uniforme: l’equatore riceve più energia dei poli. Questo

squilibrio genera gradienti termici che mettono in moto grandi masse d’aria per

riequilibrare il sistema, dando così origine ai venti globali.

A livello globale il vento nasce dalla combinazione del riscaldamento

differenziale della terra ad opera del sole e dalla rotazione del globo terrestre

intorno al suo asse.

Partendo dall’equatore, la distanza dall’asse terrestre è massima e quindi

anche la velocità di rotazione è più elevata. Ho sempre i trade winds (5-6 m/s)

che vengono da NE o SE se consideriamo rispettivamente l’emisfero nord o

sud. L’aria calda equatoriale tende quindi a salire, creando una zona di bassa

pressione; successivamente scende intorno ai 30° di latitudine, dove si forma

una zona di alta pressione e si chiude la prima cella convettiva. La massa d’aria

discendente a 30° si divide in due circuiti: chiude la cella di Hadley (i trade

winds, ALISEI) e cella di Ferrel che alimenta i westerlies (da SW verso NE;

questo è il nostro vento dominante che ci deve essere per forza su tutta

l’altezza del rotore altrimenti vado a casa).

Verso i 60° di latitudine i venti occidentali incontrano l’aria fredda proveniente

dai poli, dando origine al fronte polare. In questa zona l’aria calda subtropicale

sale e si dirige verso le regioni polari chiamata Cella Polare.

Le deviazioni dei venti all’interno delle varie celle sono spiegate dall’azione

della forza di Coriolis, che devia le masse d’aria verso destra (rispetto a dove si

originano e dove dovrebbero andare, rispetto alla direzione del moto)

nell’emisfero settentrionale e verso sinistra nell’emisfero meridionale.

Venti occidentali – latitudini 35/55 gradi (westerlies) da ovest

Spirano da Ovest poiché dalle latitudini di circa 35° la velocità tangenziale

della Terra è minore di quella dell’aria. Non sono molto regolari in direzione e

velocità e presentano una struttura turbolenta, soprattutto nell’emisfero

boreale; portano aria umida e calda sulle coste occidentali dei continenti. Sono

più regolari nell’emisfero australe grazie all’estensione oceanica.

ALISEI (esterlies) da est

Spirano da Est poiché alle basse latitudini la velocità tangenziale della Terra è

maggiore della velocità dell’aria. Hanno velocità e direzione costante tutto

l’anno (vmedia=13 knots). Spirano a quote molto basse (1-2 km), sono freschi

e secchi.

CORRENTI A GETTO

Carl Gustaf Rossby dopo aver scoperto le correnti a getto (Jet stream, forti

correnti d’aria che scorrono ad alta quota nella troposfera superiore (tra 8 e 12

km di altezza), con velocità che possono superare anche i 300–400 km/h.

Vanno da ovest verso est. Ne sono di due tipologie una subtropicale e una

polare. Rossby scoprii che queste correnti subiscono rallentamenti che ne

modificano la direzione, producendo un andamento sinuoso. Nascono così le

onde di Rossby, vere e proprie ondulazioni del flusso del Jet Stream,

fondamentali per la dinamica atmosferica delle medie latitudini.

VENTO GEOSTROFICO (vento di alta quota)

L’ elemento necessario alla formazione dei venti è costituito dalla differenza di

pressione tra due punti, ovvero dal suo gradiente barico. Lo spostamento delle

masse d’aria tra due punti del pianeta è dovuto alla distribuzione orizzontale

della pressione atmosferica. La forza motrice che si origina dal movimento

delle masse d’aria è denominata forza di gradiente (FG). tale forza può

essere calcolata per un volume infinitesimo di aria (dx dy dz) sulle cui superfici

opposte siano applicate pressioni diverse p e p+(δp/δn·dn), in particolare, per

la forza orizzontale si ha:

Il segno negativo è perché andiamo da una zona da alta a bassa pressione. n è

il versore spostamento.

In base a tali formule si trova che le masse d’aria si spostano dalle zone ad alta

pressione verso quelle a basse pressione, ortogonale alle linee isobare. In

realtà si deve tener conto anche di Coriolis che modifica la direzione del moto

dell’aria.

V è la velocità, f è il parametro di Coriolis

stabilito l’equilibrio fra la forza di gradiente e la forza di Coriolis (ovvero quando

sono // all’isobara) si può ricavare la velocità del flusso che non risente delle

forze di attrito. Quando si arriva a tale velocità termina il planet boundary layer

PBL.

L’intensità del vento geostrofico dipende da quanto sono fitte le isobare e dalla

latitudine.

IL VENTO DI GRADIENTE

Quando le isobare presentano curvature significative, come intorno ad un

centro di BASSA pressione o di ALTA pressione, alle forze di pressione e di

Coriolis va sommata la forza centrifuga dovuta alla rotazione delle masse d’aria

attorno al Centro. Nel caso di un centro di ALTA pressione la rotazione è oraria e

la forza di pressione è diretta verso l’esterno, come la forza centrifuga. Mentre

la forza di Coriolis è diretta verso l’interno.

Anticiclonic = alta pressione

Ciclone = bassa pressione i versi sono nel

nostro emisfero.

Dipende solo da f e da teta, mentre dipende anche da dp/dn in bassa

Nel caso del Vento anticiclonico il «dp/dn» è maggiore di zero ciò fa si che il

termine sotto radice si azzera per:

Nel caso di vento ciclonico invece il «dp/dn» è minore di zero e ciò rende il

termine sotto radice sempre positivo, in tal caso all’aumentare del gradiente di

pressione si avrà una riduzione del valore di velocità. Apparentemente ciò

porta a pensare che nei nuclei di Bassa Pressione il vento debba essere di

minore intensità mentre nella realtà si verifica esattamente l’opposto; tutto ciò

è dovuto al fatto che i gradienti di pressione dei nuclei di Alta Pressione sono

veramente modesti e, di conseguenza, la velocità risulta modesta.

Ovviamente le misure per il vento non le faccio quando so di stare in alta o

bassa pressione perché non sarà significativa, in alta misuro meno vento di

quello reale in bassa l’opposto. Mi servono di almeno 3 anni di misurazioni reali

e affidabili.

SPIRALE DI EKMAN

Man mano che dall’altezza di gradiente si scende verso il suolo, gli effetti

dell’attrito si fanno più importanti e queste comporta modifiche sia al modulo

della velocità che alla sua direzione.

Considerando l’immagine, si ha che la forza di

Coriolis dovrà necessariamente essere ortogonale alla direzione del vento

risultante (per definizione), e si dovrà allo stesso tempo garantire che la

composizione della forza di Coriolis e di quella di attrito sia esattamente pari ed

opposta alla forza di gradiente. Se ci si trova nell’emisfero nord si avrà quindi

che procedendo dall’alto verso il suolo, il vento subirà una rotazione verso

sinistra.

Tale fenomeno venne studiato e previsto da Ekman come problema applicato

alle correnti marine, dove si osservano deviazioni fra la direzione del vento che

muove la superficie e la direzione delle correnti in profondità.

B le condizioni

atmosferiche, z0 indica il tipo di terreno mentre ustar indica il tipo di

turbolenza. Alpha di quanti gradi sposta verso sud-ovest!

Avere l’attrito porta due effetti: il primo è che il vento ha velocità minore, il

secondo è che non è più // alle isobar. Mediamente la deviazione è di 20gradi.

VENTI LOCALI

A livello locale i venti nascono sempre per il principio di riscaldamento

differenziale della superficie terrestre e di conseguenza delle masse di aria,

come nel caso delle brezze di terra e di mare. Durante il giorno, il suolo si

riscalda più rapidamente rispetto al mare, che possiede una maggiore inerzia

termica. L’aria sopra la terraferma, scaldandosi, tende a salire e genera una

zona di bassa pressione. Per compensazione, l’aria più fresca proveniente dal

mare viene richiamata verso la terra, dando origine alla brezza di mare. L&rsq