Materiale esame Generazione ed Accumulo di Energia Elettrica da Fonti Rinnovabili

Section 6

Presentazione

L'eolico ha un minor sviluppo in Italia rispetto al fotovoltaico, ma si sviluppa per potenze maggiori.

La media europea della potenza prodotta da fonte eolica è del 14% rispetto al fabbisogno.

Teoria di Betz

La potenza estraibile dal vento è definita dalla teoria di Betz.

La teoria di Betz mi serve a capire come la potenza prodotta è proporzionale (al cubo) alla velocità del

vento.

Le ipotesi della teoria di Betz sono:

• Velocità costante del vento

• Densità dell'aria costante

• Assenza di ostacoli

• Situazione imperturbata a valle e a monte

• Generatore eolico assimilato ad un disco con proprietà ideali

=

Allora la potenza che ha una vena di vento è:

Ipotizzando ora la costanza del flusso di massa e la legge della conservazione dei momenti.

•

=

La potenza estraibile con un aerogeneratore è:

=

Con detto coefficiente di potenza

1

• Il suo valore dipende dal tipo di turbina, dalla geometria delle pale, e dalle perturbazioni esterne.

• = 0.593 ,

Ho un limite teorico massimo cioè al massimo teoricamente riesco a convertire il

,

60% della potenza del vento

• Il valore di Cp inoltre dipende anche da alcuni parametri

o

Angolo palare ∗

o =

Coefficiente :rapporto tra la velocità periferica e la velocità del vento

1

÷ 0.5)

Per avere un Cp elevato (0.48 devo quindi:

•

Minimizzare l'angolo

•

Ottenere un

:

Allora, fissato

➢ < ⟹

Se ho un Cp basso e un aumento dell'angolo di attacco

➢ > ⟹

Se ho un Cp basso e il vento "salta" la turbina senza estrarre potenza

In ogni caso la potenza generata è proporzionale all'area spazzata, cioè devo cercare di costruire

aerogeneratori grandi per produrre più potenza. 83

Site effect – Effetti del sito eolico

La potenza estraibile da un avena ventosa, oltre che dall’aerogeneratore, dipende anche dalle

caratteristiche del sito dove io posizione il mio parco eolico.

I fattori che influiscono sulla producibilità sono:

➢ La presenza di ostacoli a monte o a valle dell’aerogeneratore, quali alberi, torri ecc

➢ La morfologia del terreno: zona pianeggiante o montuosa (irregolarità del territorio)

➢ La densità dell’aria influisce molto

➢ Possibili effetti di addensamento di masse d’aria con fenomeni di turbolenza

➢ L’altitudine influisce molto (dalla teoria fluidodinamica il profilo di velocità varia al variare

dell’altitudine)

Tipi di turbina

I tipi di turbina sono suddivisi in due grosse famiglie: ad asse orizzontale ed ad asse verticale.

Inoltre c’è un’ulteriore suddivisione dal punto di vista del principio di conversione dell’energia:

➢ Fift type: per effetto aerodinamico (sollevamento): tutte le turbine ad asse orizzontale ed alcune ad

assee verticale (alta efficienza)

➢ Drag type: la coppia di sviluppa sulla area della pala (bassa efficienza): solo asse verticale

▪ Siccome le pale tante volte si “oscurano” una rispetto all’altra, si preferisce variare

l’angolo di attacco della pala, in modo da aumentarne l’efficienza.

▪ Il problema di questa tipologia è che non avvengono le condizioni di

autoavviamento.

Per scegliere la turbina adatta da installare devo tener conto soprattutto della velocità del vento:

• ⟹

Basse velocità Asse verticale

• ⟹

Alte velocità Asse orizzontale

Caratteristica output di potenza generata

Le curve della caratteristica variano dal tipo di generatore: se è a velocità fissa o mobile

La produzione eolica è caratterizzata da due valori di velocità:

• Velocità di cut-in:, velocità minima del vento per far funzionare il generatore

o Da qui inizia la generazione

• Velocità di cut-out: massima velocità sopra la quale le pale vengono messe in maniera o vengono

fermate e non ho più produzione elettrica.

o È legata a dei limiti di natura meccanica ed elettrica

Definiti i limiti di velocità del vento, la produzione eolica si esplica in 4 fasi al variare della velocità del

vento:

1) Inizia la rotazione senza la produzione di potenza (mettendo le pale in bandiera) fin quando la

velocità del vento è minore di quella di cut-in

2) Nella seconda fase lavoro a Cp costante.

Lavoro a Cp massimo e la velocità di rotazione cresce all'aumentare della velocità del vento (al

cubo)

3) Funzionamento a velocità angolare costante, il Cp cala, la potenza generata continua a crescere, ma

in modo meno veloce rispetto a prima.

Intervento di meccanismi sulle pale che permettono di controllare la potenza generata

:

(intervengono su angolo di pitch) in modo da mantenere la curva della potenza costante fino alla

velocità di cut-out.

4) Sopra la velocità di Cut-out, la potenza viene portata a 0 per protezione. 84