C.1 Energia Eolica 1 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07 Il vento...

C.1 Energia Eolica

1Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Il vento infatti si genera dalle differenze di temperatura che si determinano tra zone diverse della terra. Infatti il riscaldamento differenziale della terra genera, spostamenti d’aria (venti superficiali) dai poli (zone più fredde) all’equatore (zone più calde), che vanno a sostituire masse d’aria calda che salgono dalla fascia tropicale e si muovono nella parte superiore della troposfera verso i poli.

L’energia eolica è l’energia posseduta dal vento, ed ha origine dal sole.

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Lo sfruttamento di questo fenomeno naturale è cominciato in epoche lontane, già trentasette secoli fa, Hammurabi, re di Babilonia, sembra utilizzasse mulini a vento per irrigare e pompare l’acqua dai fiumi; gli Arabi ed i cinesi li utilizzarono per macinare il grano e pompare l’acqua. In Europa arrivarono intorno all’anno 1000 in Spagna, il “Don Chisciotte” di Cervantes ne è testimonianza.

L’effetto della rotazione terrestre fa si che la terra scorra al disotto dell’aria in movimento, modificando le traiettorie delle correnti aeree. Inoltre la morfologia della superficie terrestre, provoca deviazioni a livello locale che interessano gli strati bassi dell’atmosfera.

Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

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Tra il 1880 e 1930 cominciarono a svilupparsi gli aerogeneratori, moderni mulini a vento per la produzione di energia elettrica, già nel 1914 ne erano in funzione centinaia con potenze installa te tra 3 e 30 kW.

Tra le due guerre mondiali, se ne realizzarono, grazie agli sviluppi della tecnologia aeronautica, modelli con potenza tra i 40-80 kW e 1250 kW, in Danimarca si arrivò a soddisfare l’intero fabbisogno elettrico con aerogeneratori.

Con la diffusione dei combustibili fossili, che nel dopoguerra fornivano energia a basso costo,

l’industria degli aerogeneratori fu abbandonata.

A partire dal 1975 in Usa, Canada ed alcuni paesi europei hanno varato programmi per lo sviluppo e la ripresa di questa tecnologia.

Negli Usa grazie agli incentivi del governo, sono nate delle wind farm che producono, immettendo in rete 1800 MW.


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Solo da pochi decenni quindi l’energia eolica viene impiegata per produrre elettricità. I moderni mulini a vento sono chiamati aerogeneratori.

Il principio di funzionamento degli aerogeneratori è lo stesso dei mulini a vento: si sfrutta il vento che spinge le pale. Ma nel caso degli aerogeneratori il movimento di rotazione delle pale viene trasmesso ad un generatore che produce elettricità.

Il vento come fonte di energia è caratterizzato da:

•Basse concentrazioni di Potenza

•Continua variabilità in velocità e direzione

•Impossibilità di accumulo immediato

Questa tecnologia è caratterizzata da due importanti pregi:

•Agevole conversione

•Diffusione su tutto il pianeta

Secondo stime attendibili, circa l’1 per mille della radiazione solare intercettata dalla terra è convertito in energia del vento. Di questa circa 1/3 (60 milioni di MW) viene dissipata nei primi km di atmosfera.


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Fonte: WWEA

Capacità totale installata [MW] di energia eolica


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RANKING 2006 PAESE CAPACITA' INSTALLATA NEL 2005 [MW]

TASSO DI CRESCITA [%]

CAPACITA' TOTALE INSTALLATA ALLA FINE DEL 2006 [MW]

CAPACITA' TOTALE INSTALLATA AL 2005 [MW]

RANKING 2005

1Germania 2.194 11,9 20.622 18.428 12Spagna 1.587 15,8 11.615 10.028 23USA 2.454 26,8 11.603 9.149 34India 1.840 41,5 6.270 4.430 45Danimarca 8 0,3 3.136 3.128 56Cina 1.145 90,9 2.405 1.260 87Italia 405 23,6 2.123 1.718 68Gran Bretagna 610 45,1 1.963 1.353 79Portogallo 628 61,4 1.650 1.022 11

10Francia 810 106,9 1.567 757 1311Olanda 336 27,5 1.560 1.224 912Canada 768 112,4 1.451 683 1413Giappone 354 34 1.394 1.040 1014Austria 146 17,8 965 819 1215Australia 238 41,1 817 579 1516Grecia 183 31,9 756 573 1617Irlanda 147 29,6 643 496 1818Svezia 54 10,6 564 510 1719Norvegia 55 20,4 325 270 1920Brasile 208 729,6 237 29 34

Resto 730 48,4 2.238 1.508TOTALE 14.900 25,3 73.904 59.004

Fonte: WWEA


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Una superficie con sezione a profilo alare, posta in un flusso d’aria, è soggetta ad una risultante di due componenti:

Portanza, forza perpendicolare alla velocità del flusso

Resistenza, forza in direzione opposta al moto del fluido

Negli aeroplani la Portanza è la forza utile che sostiene il peso dell’aereo, mentre la resistenza è la forza che deve essere compensata dalla spinta propulsiva dell’aereo stesso.

Analogamente per una macchina eolica.


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Sul movimento di queste masse d’aria influiscono, principalmente al suolo, molti fattori, alcuni dei quali sono determinanti per la scelta del sito sul quale installare degli aerogeneratori.

La resistenza d’attrito opposta dal terreno genera enormi dissipazioni di energia creando così dei gradienti di velocità all’aumentare della quota che dipendono dalla rugosità del suolo.

Le classi di rugosità

Classe di rugosità 0: suolo piatto come il mare, la spiaggia e le distese nevose.

Classe di rugosità 1: suolo aperto come terreni non coltivati con vegetazione bassa e aeroporti.

Classe di rugosità 2: aree agricole con rari edifici e pochi alberi.

Classe di rugosità 3: suolo rugoso in cui vi sono molte variazioni di pendenza del terreno, boschi e paesi.


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La potenza dPω associata ad una vena fluida in moto relativo di insieme caratterizzato dalla velocità ω rispetto ad un sistema di riferimento è esprimibile come prodotto della portata volumetrica dG ( area dA della sezione perpendicolare alla direzione del vento moltiplicata per ω), per l’energia cinetica del volume infinitesimo della vena.

dAdAdP

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2

1

2

La formula, integrata e divisa per A, fornisce l’espressione della potenza specifica (per unità cioè di superficie frontale della corrente d’aria); la quale, posto ρ = 1,225 kg/m3:

3613,0 P

Come si vede la potenza è funzione con la terza potenza della velocità del vento, quindi sono di importante rilevanza le caratteristiche anemologiche locali sulle prestazioni del dispositivo di conversione.


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La potenza descritta è tuttavia soltanto teorica a causa delle irreversibilità intrinseche nel processo di conversione e negli organi meccanica.

È possibile valutare come l’orografia del terreno modifica la velocità del vento a diverse quote. La velocità del vento ad una determinata quota, diversa a seconda del tipo di installazione, è estrapolabile attraverso la relazione di Hellmann:

a

zz

zz

'

'

in cui:

a: è un esponete caratteristico della località in esame

z’: quota alla quale si vuole conoscere la velocità

z: quota alla quale è nota la velocità


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Un errore nella rilevazione della velocità, ad esempio del 10%, induce ad un errore del 33% sulla valutazione della potenza.

Sono molto affidabili stime della velocità media ottenuti su lunghi periodi ( almeno 10 anni), i dati possono essere riportati su base giornaliera, mensile, annuale .

La normativa* suggerisce la seguente procedura:

•Individuazione della regione di vento della località in esame

•Individuazione della zona di vento in funzione della distanza dalla costa e dalla quota

•Determinazione di un coefficiente c correttivo, desumibile da tabelle confrontando la zona di vento così ottenuta con quella che caratterizza il capoluogo più vicino tra quelli appartenenti alla stessa regione di vento

•Calcolo della velocità media annua cercata:

c ' *UNI-CTI 10349


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Regioni di vento

Coefficiente correttivo c

Regioni di vento

Valori Medi annui velocità del vento


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I valori medi ci permettono di ottenere una stima di prima approssimazione per valutare i possibili siti di interesse.

Per una valutazione delle reali possibilità di utilizzazione della risorse di un determinato sito è necessario conoscere l’istogramma della distribuzione delle frequenze F della velocità del vento.

È possibile realizzare a partire dai dati medi realizzare mappe del vento sulle quali sono tracciate le curve isovento.


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La conoscenza della funzione cumulativa della distribuzione di frequenza permette di conoscere quante volte si verificano velocità del vento superiori ad un determinato valore.


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Ruotando la curva cumulativa di 90° sul piano in verso antiorario, si ottiene la curva di durata annuale della velocità del vento (a), permette di determinare il numero di ore annue in cui una certa velocità viene superata e soprattutto permette di valutare realisticamente l’energia disponibile.

Dal diagramma di durata della velocità, utilizzando la relazione per il calcolo della potenza, ottenere in diagramma di durata della potenza (b). L’area sottesa da questa curva rappresenta, in scala opportuna, l’energia posseduta dal vento per una sezione trasversale unitaria nell’intervallo di velocità considerata, espressa in kWh/m2 anno


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La configurazione orografica, in corrispondenza dei rilievi si genera deviazioni di traiettoria delle masse d’aria, i rilievi inoltre possono essere spesso barriere o elementi incanalatori.

Soluzione a questi problemi sono gli impianti off-shore.


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North Hoyle offshore wind farm


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In generale la posizione ideale di un aerogeneratore è in un terreno appartenente ad una bassa classe di rugosità e che presenta una pendenza compresa tra i 6 e i 16 gradi.Il vento deve superare la velocità di almeno 5,5 m/s e deve soffiare in modo costante per gran parte dell’anno, garantendo almeno 1000 kWh/m2 anno. Mentre i migliori siti eolici off-shore sono quelli con venti che superano la velocità di 7-8 m/s, che hanno bassi fondali (da 5 a 40 metri) e che sono situati ad oltre 3 chilometri dalla costa.


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Rotore

Sistema frenante

Torre e FondamentaNavicella e

Sistema di imbardata

Sistema di controllo

Generatore

Moltiplicatore di giri


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Il rotore è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale. Le pale più utilizzate sono realizzate in fibra di vetro.

Possono essere ad asse:

•Orizzontale

•Verticale


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Rotori ad asse orizzontale

L'asse del rotore è parallelo alla direzione del vento e ruota su un piano perpendicolare alla direzione. L'elica è l'esempio tipico.

Le caratteristiche peculiari sono: alta velocità di rotazione , area frontale utilizzata totalmente, elevato coefficiente di portanza e quindi elevata potenza. Sono utilizzati principalmente per produrre elettricità. Gli svantaggi sono: difficoltà di realizzazione, grandi ripercussioni negative sulla macchina per minimi errori progettuali.


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Rotori ad asse verticale

Il rotore gira con un asse perpendicolare alla direzione del vento, mentre le pale si muovono nella stessa direzione. Tipici esempi sono i rotori Savonius. La caratteristica di queste macchine è la loro bassa velocità di rotazione, il momento motore elevato e il modesto rendimento. Sono adatti per utilizzazioni meccaniche come le pompe per l'acqua. In effetti il loro uso è ormai limitato ad ambienti rurali. Hanno il notevole vantaggio di non doversi orientare secondo la direzione del vento.


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Il sistema frenante è costituito da due sistemi indipendenti di arresto delle pale: un sistema di frenaggio aerodinamico e uno meccanico.Il primo viene utilizzato per controllare la potenza dell’aerogeneratore, come freno di emergenza in caso si sovravelocità del vento e per arrestare il rotore.Il secondo viene utilizzato per completare l’arresto del rotore e come freno di stazionamento.

La torre sostiene la navicella e il rotore, può essere a forma tubolare o a traliccio. In genere è costruita in legno, in cemento armato, in acciaio o con fibre sintetiche.La struttura dell’aerogeneratore per poter resistere alle oscillazioni ed alle vibrazioni causate dalla pressione del vento deve essere ancorata al terreno mediantefondamenta. Le fondazioni molto spesso sono completamente interrate e costruite con cemento armato.

Il generatore trasforma l’energia meccanica in energia elettrica. La potenza del generatore viene indicata in chilowatt (kW).


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Il funzionamento di un aerogeneratore è gestito da un sistema di controllo che svolge due diverse funzioni.

• Gestisce, automaticamente e non, l’aerogeneratore nelle diverse operazioni di lavoro

• Aziona il dispositivo di sicurezza che blocca il funzionamento dell’aerogeneratore in caso di malfunzionamento e di sovraccarico dovuto ad eccessiva velocità del vento.

La potenza ha una dipendenza pari alla terza potenza della velocità, infatti in caso di raddoppio della velocità del vento si disporrà una potenza otto volte superiore.


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La navicella è una cabina in cui sono ubicati tutti i componenti di un aerogeneratore, ad eccezione, naturalmente, del rotore e del mozzo.La navicella è posizionata sulla cima della torre e può girare di 180° sul proprio asse.Per assicurare sempre il massimo rendimento dell’aerogeneratore è importante mantenere un allineamento più continuo possibile tra l’asse del rotore e ladirezione del vento.

Negli aerogeneratori di media e grossa taglia, l’allineamento è garantito da un servomeccanismo, detto sistema di imbardata, mentre nei piccoli aerogeneratoriè sufficiente l’impiego di una pinna direzionale. Nel sistema di imbardata un sensore, la banderuola, indica lo scostamento dell’asse della direzione del vento e aziona un motore che riallinea la navicella.


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Eolico off - shore

• Costituirà l’eolico del futuro

• Le turbine eoliche potranno essere più grandi di quelle utilizzate oggi

• I siti disponibili sono numerosi e non vi sarebbero interferenze con altre attività umane a parte l’attenzione alle esigenze di navigazione

• Gli impianti non sottraggono spazio prezioso allo sviluppo urbanistico, all'agricoltura o ad altri usi

• Alla fine del 2006, la potenza installata di eolico off-shore era pari all’1,8% dell’energia eolica totale prodotta pari a 74.000 MW.

• Alla fine del 2006, quasi il totale dei 900 MW di fattorie del vento off-shore sono state installate in Europa in particolare sulle coste della Danimarca, Irlanda, Olanda, Svezia e Gran Bretagna.

Wind farm offshore sulle coste della Danimarca

Wind farm offshore sulle coste della Spagna

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Eolico in Italia

La posizione geografica dell’Italia, unita alla presenza di catene montuose e di masse d’acqua, determina un diverso andamento dei venti sia nel corso dell’anno che da regione a regione.

L’Italia può comunque contare, specie nelle zone mediterranee meridionali e nelle isole, su venti di buona intensità, quali il maestrale, la tramontana, lo scirocco e il libeccio.

I risultati di un’indagine, cui anche l’ENEA ha partecipato, hanno evidenziato che i siti più idonei allo sfruttamento dell’eolico si trovano lungo il crinale appenninico, al di sopra dei 600 mslm e, in misura minore, nelle zone costiere. Le regioni più interessanti sono quelle del Sud, in particolare Campania, Puglia, Molise, Sicilia e Sardegna, e il territorio compreso tra le province di Trapani, Foggia, Benevento, Avellino e Potenza è il principale polo eolico nazionale.

Tuttavia la quantità di energia prodotta da fonte eolica è ancora trascurabile rispetto al potenziale sfruttabile stimato in circa 3.000 MW sulla terraferma e altrettanti in offshore.


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Eolico in Italia

Fonte: Legambiente

MW eolici installati nelle varie regioni d’Italia

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Impatto ambientale: benefici globali

Una delle maggiori perplessità sulla installazione di centrali eoliche, da parte dei decisori politici e delle popolazioni locali, dipende dalle preoccupazione sul loro impatto ambientale. E’ quindi opportuno sottolineare le caratteristiche di questa fonte il cui impatto ambientale è limitato, specialmente attraverso una buona progettazione: l’energia eolica è una fonte rinnovabile, in quanto non richiede alcun tipo di combustibile, è pulita perché non provoca emissioni dannose per l’uomo e per l’ambiente. Gli aerogeneratori non hanno alcun tipo di impatto radioattivo o chimico, visto che i componenti usati per la loro costruzione sono materie plastiche e metalliche.

Gli aspetti ambientali che vengono presi in considerazione sono invece correlati a possibili effetti indesiderati, che hanno luogo su scala locale; essi sono:

• occupazione del territorio• impatto visivo• rumore• effetti elettromagnetici• interferenze elettromagnetiche• effetti su flora e fauna


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Occupazione del territorioIn base al rapporto tra la potenza degli impianti e il terreno complessivamente

necessario (anche per la distanza delle macchine), la densità di potenza per unità di superficie è circa di 10 W/m2. Tuttavia le macchine eoliche e le opere di supporto

(cabine elettriche, strade) occupano solamente il 2-3% del territorio per la costruzione di un impianto, quindi la densità di potenza ottenibile è da considerarsi nettamente

superiore, dell’ordine delle centinaia di W/m2. Bisogna ricordare che la parte del terreno non occupata dalle macchine può essere impiegata per altri scopi, come l’agricoltura e

la pastorizia, senza alcuna controindicazione.


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Gli aerogeneratori per la loro configurazione sono visibili in ogni contesto in cui vengono inseriti, in modo più o meno evidente in relazione alla topografia e all’antropizzazione del territorio. Un aerogeneratore da 500 kW di potenza ha un diametro del rotore e un’altezza della torre di circa 40 metri, mentre uno da 1500 kW misura, per questi due valori, circa 60 m. L’impatto nel paesaggio tra i due tipi di macchina è moderatamente diverso, per cui aumentare la taglia delle macchine potrebbe ridurre, a parità di potenza globale installata, l’impatto visivo.

Impatto visivo


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L’impatto visivo è un problema di percezione e integrazione complessiva nel paesaggio; comunque è possibile ridurre al minimo gli effetti visivi sgradevoli assicurando una debita distanza tra gli impianti e gli insediamenti abitativi.Sono state individuate, inoltre, soluzioni costruttive tali da ridurre tale impatto:

• Impiego di torri tubolari o a traliccio a seconda del contesto• Impiego di colori neutri• Adozione di configurazioni geometriche regolari con macchine ben distanziate


Impatto visivo

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Impatto acusticoIl rumore emesso da una centrale eolica non è percettibile dalle abitazioni, poiché una distanza di poche centinaia di metri è sufficiente a ridurre il disturbo sonoro. In generale, la tecnologia attuale consente di ottenere, nei pressi di un aerogeneratore, livelli di rumore alquanto contenuti, tali da non modificare il rumore di fondo, che, a sua volta, è fortemente influenzato dal vento stesso, con il risultato di mascherare ancor più il contributo della macchina.

Interferenze sulle comunicazioniLa macchina eolica può influenzare: le caratteristiche di propagazione delle telecomunicazioni (come qualsiasi ostacolo), la qualità del collegamento in termini di segnale-disturbo e la forma del segnale ricevuto con eventuale alterazione dell’informazione. Una adeguata distanza degli aerogeneratori fa sì che l’interferenza sia irrilevante.


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Flora e faunaSulla base delle informazioni disponibili, si può affermare che le possibili interferenze di qualche rilievo degli impianti eolici con la flora e la fauna riguardano solo l’impatto dei volatili con il rotore delle macchine. In particolare, le specie più influenzate sono quelle dei rapaci; gli uccelli migratori sembrano adattarsi alla presenza di questi ostacoli. In genere le collisioni sono molto contenute.


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Costi

Grazie ai recenti sviluppi tecnologici l'energia eolica inizia ad essere economicamente vantaggiosa. Il costo di installazione è relativamente basso, se raffrontato ad altre tecnologie come ad esempio il fotovoltaico.

Al 2004, secondo l’International Energy Agency, il costo medio di produzione dell'energia eolica sarebbe compreso tra 0,04-0,08€/kWh, anche se stime più recenti indicherebbero un costo ancora inferiore che farebbe presupporre nel breve termine un costo di 0,03 €/kWh del tutto concorrenziale rispetto ai costi dell'energia generata da fonti convenzionali (negli ultimi dieci anni la riduzione del costo di produzione di energia da fonti eoliche si è attestata sul 30%-50% e si prevede che la tendenza rimanga costante).


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Il minieolico

Per Minieolico si intendono gli impianti la cui taglia di potenza è inferiore 50 kW

Il microeolico

Per Microeolico si intendono gli impianti la cui taglia di potenza è inferiore 1000 W

Impieghi

Impianti a servizio di utenze isolate (stand- alone o off-grid)

Impianti di media potenza a servizio di piccole comunità e villaggi isolati (tipicamente utilizzati per remoti insediamenti montani o insulari)

Piccoli impianti connessi in rete a bassa tensione per forniture domestiche integrative

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Vantaggi rispetto agli impianti tradizionali

Macchine più semplici

Uso continuativo delle microturbine anche per svariati anni consecutivi senza la necessità di interventi di manutenzione grazie alle nuove tecniche costruttive

Riguardo le utenze isolate, i sistemi minieolici possono essere accoppiati a impianti fotovoltaici e/o generatori diesel per una completa autosufficienza energetica dell’utenza (sistemi ibridi)

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Applicazioni

Si possono distinguere principalmente 3 classi di potenza:

Impianti micro eolici di potenza < 1 kW

Impianti mini eolici di potenza < 10 kW

Impianti mini eolici di potenza > 10kW

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Applicazioni


Sono solitamente poste a servizio di sistemi isolati e svolgono principalmente funzioni di caricabatterie. Le principali applicazioni sono:

Stazioni meteo automaticheRipetitori per la telefonia cellulareSegnaletica luminosa disposta su strade e autostradeImbarcazioni da diporto

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Applicazioni


Sono in grado di fornire un quantitativo sufficiente anche per utenze più energivore e può servire sia utenze isolate che sistemi connessi alla normale rete di distribuzione. Le principali applicazioni sono:

Recinzioni elettrificate per il governo delle greggiRipetitori per telecomunicazioniRifugi montaniBasi scientifiche remote (come quelle in Antartide)Semplici utenze domestiche

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Applicazioni

Impianti micro eolici di potenza > 10 kW

Possono essere utilizzati per l’alimentazione di più utenze collegate tramite una piccola rete elettrica a bassa tensione come può avvenire ad esempio per comunità e villaggi isolati: questa può essere la situazione ad esempio di un insediamento insulare, come avviene in Italia per le isole minori, o di alcune comunità nei Paesi in via di sviluppo.

In questi casi solitamente la miniturbina fa parte di un sistema di produzione energetica più esteso, che può comprendere sia impianti fotovoltaici, sistemi miniidraulici o motori diesel, in modo da garantire la perfetta autosufficienza energetica dell’utenza (sistemi ibridi).

Sistema ibrido eolico-fotovoltaico

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Esempi di integrazione

Project Web Università di Stuttgart

Bahrain World Trade Center a New York by Atkins

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Innovazione: L’eolico d’alta quota, il Kite Wind Generator (Kite Gen)

Il kitegen è basato su aquiloni che raccolgono il vento a grande altezza per far girare un carosello connesso a un generatore.

Il progetto propone un metodo originale per concentrare su un unico impianto importanti quantità d'energia eolica. Permette di ipotizzare macchine del vento la cui dimensione non è condizionata da limiti strutturali e dinamici.

Il KiteGen può competere con sistemi di produzione elettrica convenzionale, compreso il nucleare, in termini di potenza nominale per singolo impianto e di costo dell'energia prodotta.

L’obiettivo del progetto è sviluppare, implementare e collaudare un concetto interamente nuovo per la produzione di energia elettrica.

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La sorgente energetica utilizzata per il generatore è il vento di alta quota che verrà catturato attraverso una serie di profili alari (kites) i cui movimenti sono controllati elettronicamente da sensoristica e software specificamente sviluppati.

I kites sono ancorati a una struttura rotante, una turbina ad asse verticale analoga a un'enorme giostra, che convoglia l'energia meccanica sugli alternatori come in una tradizionale centrale elettrica.

Questo progetto è frutto di anni di ricerca e sviluppo e ha già prodotto alcuni brevetti Europei.

Il lavoro richiesto per costruire i prototipi e dimostrare la validità dell'ipotesi è articolato in fasi operative progressive per una durata di cinque anni.

Innovazione: L’eolico d’alta quota, il Kite Wind Generator (Kite Gen)

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