Energia Elettrica da Fonte Eolica

La potenza eolica installata nel mondo alla fine del

2012 è pari a 282.6 GW (+44.8 GW nel 2012 (+18.8

%))

La potenza eolica installata in Italia alla fine del

2012 è pari a 8.1 GW (+1.4 GW nel 2012 (+20.9

%)), (picco della domanda di potenza nel 2010: 56.4

GW)

Fonte GWEC (Global Wind Energy Council) - Global wind 2010 report

Energia Elettrica da Fonte Eolica

turbina

eolica

riduttore generatore

elettrico

convertitore statico

trasformatore

rete elettrica

carico

locale

Accumulo

unità di

controllo

Schema di un Aerogeneratore - 1

Potenziale Eolico -1

Rilevazione dati mediante Stazione Anemometrica

Potenziale Eolico -2

Potenziale Eolico -3

Distribuzione delle velocità

i

i

i vN

nv

N numero complessivo di rilevazioni

ni numero di occorrenze della velocità vi

valore medio

21

vvN

ni

i

i

Scarto quadratico medio

ni

N

nvvf i

i

Frequenza della velocità vi :

probabilità che il vento abbia

una velocità compresa

nell’intervallo di ampiezza

v centrato su vi

Potenziale Eolico - 4

Calcolo dell’energia prodotta in un anno (AEP)

P(vi) = potenza (kW) erogata dal generatore eolico in

corrispondenza della velocità del vento vi

8760 = numero di ore in un anno

AEP = energia prodotta in un anno (kWh/anno)

8760vPvfAEP i

i

i

Esempio di calcolo dell’energia prodotta in un anno - 1

ENERCON E33: Pn = 330 kW, D = 33.4 m, H = 37/44/49/50 m

ENERCON E44: Pn = 900 kW, D = 44 m, H = 45/55/65 m

ENERCON E70: Pn = 2300 kW, D = 71 m, H = 57/84/85/98/113 m

Esempio di calcolo dell’energia prodotta in un anno - 2

Rilevazione della velocità del vento ad una altezza dal suolo di 10 m (valore

medio = v10) e 20 m (valore medio = v20)

v10 = 4,26 m/s, v20 = 4.77 m/s

𝑣 𝑧 = 𝑣 𝑧1𝑧

𝑧1

𝛼

𝛼 =ln𝑣20𝑣10

ln2010

= 0.16

α = parametro di rugosità

α è un parametro che

dipende dalla rugosità del

terreno (presenza di ostacoli,

boschi, case, colline ..) (0.1

– 0.3)

Profilo di velocità con legge di potenza:

Esempio di calcolo dell’energia prodotta in un anno - 3

Frequenza delle velocità descrivibile mediante la funzione distribuzione delle

probabilità di Weibull a due parametri

𝑥 = 𝑦𝑥−1∞

0

𝑒−𝑦𝑑𝑦

k = parametro di forma, adimensionale

c = parametro di scala (m/s) che dipende dalla velocità

media

𝑓 𝑣 =𝑘

𝑐

𝑣

𝑐

𝑘−1

𝑒−𝑣𝑐

𝑘

𝑐 =𝑣

1 +1𝑘

k = 2 : distribuzione di Rayleight

𝑐 =2 𝑣

𝜋

Esempio di calcolo dell’energia prodotta in un anno - 4

Generatore H (m) <v> (m/s) AEP

(MWh/anno)

E-33 37 5.27 796

E-44 45 5.44 1599

E-70 57 5.66 4567

E-70 64 5.77 4759

E-70 85 6.04 5247

E-70 98 6.18 5502

E-70 113 6.33 5762

E33: Pn = 330 kW, D = 33.4 m, H = 37/44/49/50 m

E44: Pn = 900 kW, D = 44 m, H = 45/55/65 m

E70: Pn = 2300 kW, D = 71 m, H = 57/84/85/98/113 m

Potenziale Eolico - 5

Fonte ENEA

Bacino ad alto potenziale

Potenziale

Eolico - 6

Potenziale Eolico - 7

http://atlanteeolico.rse-web.it/viewer.htm

Potenziale Eolico - 8

http://atlanteeolico.rse-web.it/viewer.htm

Principi Fisici - 1

Energia cinetica di un volume elementare in moto

v

2

2

1vW

densità di massa [kg/m3]

[J]

Principi Fisici - 2

Distribuzione di velocità moto laminare

fluido incomprimibile

interazione nulla col fluido confinante

v v2 v1

Principi Fisici - 3

Energia estratta

2

2

2

2

1vvW

Ar

dx

tvAdxA rr 1

tvvvAW r 1

2

2

2

2

1

Potenza

1

2

2

2

2

1vvvA

t

WP r

v1

La potenza estratta dipende dal cubo della velocità

Principi Fisici - 4

Condizione di massima potenza estraibile (teorema di Betz)

2r1 vvAvT T = Spinta esercitata dal vento sul rotore

1vTP

2

vvvAP

2

2

2

1r P = potenza meccanica ceduta dal vento

2

vvv 2

1

2

vv

2

vvAP

2

2

2

2r

0dv

dP

2

2

vA

27

16P,

3

v2v,

3

vv

3

rmax12

Principi Fisici - 5

Potenza massima estraibile

3

max2

1

27

16vAP r

Coefficiente di Potenza (Prestazione)

3

2

1vA

P

edisponibilPotenza

estrattaPotenzac

r

p

27

16max

pc (59.3 %)

Tipi di turbine – Asse orizzontale

Tipi di turbine – Asse verticale

Regolazione (controllo) della potenza - 1

82 nn PPvv

nn PPvv 82

Dipendenza cubica dalla velocità P

ote

nza

gen

erat

a

Velocità del vento

Limite di sicurezza

Valori tipici

vcut-in = 3 m/s

vcut-off = 30 m/s P(v)

Potenza non utilizzabile

Regolazione della potenza - 2

3

2

1vAcP rp

Velocità del vento

Solidità (area effettiva) del rotore controvento

Densità dell’aria

Coefficiente di potenza

nominalerp vvvAcP 3

2

1

outcutn vvvPP nominale

Parametri di regolazione

Imbardata (Yaw control)

Angolo di calettamento (Pitch control),

Velocità di rotazione

Imbardata

Disallineamento dell’asse

rispetto alla direzione del vento

Passiva (banderuola)

Attiva (elettrica e/o idraullica)

vento

Asse di

imbardata

Imbardata passiva

Imbardata attiva – dinamiche lente

Blade Pitch Control

Passiva (stallo)

Attiva (elettrica e/o idraulica - retroazionata)

Angolo di calettamento

della pala

Pitch Control

A. Caffarelli et Al. “Sistemi eolici: progettazione e valutazione economica”

Maggioli Editore, 2009

= angolo di calettamento (pitch angle), = angolo di attacco,

vw = velocità del vento, = velocità angolare della pala,

vR = velocità del vento rispetto alla pala

Passivo Attivo

Parametro adimensionale

v

R

v

vp

max

Velocità dell’estremo della pala

Velocità del vento indisturbato

A parità di v

Prestazione delle turbine ad asse orizzontale - 1

Prestazione delle turbine ad asse orizzontale - 2

Prestazione delle turbine ad asse orizzontale - 3

Prestazione delle turbine ad asse orizzontale - 4

Turbine veloci

Prestazione delle turbine ad asse orizzontale - 5

Turbina a tre pale

Andamento del coefficiente di potenza (Cp) al variare del parametro per

diversi valori dell’angolo di calettamento

Conversione in forma elettrica dell’energia meccanica

• Generatori Sincroni

• Generatori Asincroni

Connessione alla rete

Si utilizzano:

• Generatori Sincroni - SG

• Generatori Asincroni - ASG

Con funzione di:

• Supporto alla rete (prevalentemente ASG)

• Generazione primaria (solo SG)

Possibili

modalità

di connessione

Sigfried Heier

“Grid integration of Wind

Energy Conversion

Systems”

John Wiley and Sons, 1998

Costanti di tempo caratteristiche

Le variazioni delle condizioni del vento avvengono su

tempi lunghi rispetto alle costanti di tempo

caratteristiche dei generatori

Per la regolazione del sistema si può fare

riferimento alla caratteristica

elettromeccanica dei generatori a regime

Variazione delle condizioni del vento a parità di

profilo aerodinamico

Potenza meccanica disponibile

sull’asse del generatore

C,vPP

fissa (o variabile entro

ristretti intervalli) nel caso

di accoppiamento diretto

libera nel caso di

accoppiamento mediante

convertitore di frequenza v

R

v

vp

max

Potenza massima estraibile

3

max2

1

27

16vAP r

Coefficiente di Prestazione in potenza

3

r

p

vA2

1

Pc

Caratteristica meccanica della turbina

Coefficiente di Prestazione in coppia

2

r

m

vA2

1R

Cc

Esprimibile in funzione del parametro

adimensionale

v

R

v

vp

max

Esprimibile in funzione del parametro

adimensionale relazione C ( )

Aerogeneratori ad accoppiamento diretto - 1

sm6.3vASG

incut sm8.3vSG

incut

Al di sotto della velocità di cut-in le macchine si comportano da

motori (trascinano la turbina) e assorbono potenza dalla rete

Sigfried Heier , “Grid integration of Wind Energy Conversion Systems” , John Wiley and Sons, 1998

Aerogeneratori ad accoppiamento diretto - 2

Siccome la velocità di rotazione è imposta dall’esterno non è possibile lo

sfruttamento ottimale della turbina al variare della condizioni del vento

Negli areogeneratori ad

accoppiamento diretto la

velocità di rotazione dipende

esclusivamente dalla

frequenza di rete e dalle

caratteristiche costruttive del

generatore

= f (v, ) | = opt v

= f (v) aleatorio

opt

Macchine Asincrone

in Accoppiamento Diretto

Macchine Asincrone - Scorrimento Nominale

Sigfried Heier “Grid integration of Wind Energy Conversion Systems”

John Wiley and Sons, 1998

Lo scorrimento nominale è un indice della rigidezza della caratteristica

meccanica della macchina

Fattori costruttivi che

influenzano lo scorrimento

• Resistenza rotorica

• Induttanza rotorica

• Profilo barre rotore

• numero poli

Influenza dello scorrimento nominale sulla

risposta delle macchine asincrone

Sigfried Heier “Grid integration of Wind Energy Conversion Systems”

John Wiley and Sons, 1998

Smorzamento delle fluttuazioni su scale brevi

Macchine Sincrone

in Accoppiamento Diretto

Sistema estremamente rigido

- Non in Uso -

Le fluttuazione di potenza (dovute alle condizioni del vento)

sono integralmente trasformate in fluttuazione di coppia con

notevole stress meccanico sui componenti

Connessione alla rete di aerogeneratori

Conversione AC/AC indiretta

Aerogeneratori accoppiati mediante convertitore - 1

Sigfried Heier

“Grid integration of Wind

Energy Conversion Systems”

John Wiley and Sons, 1998

Per ogni velocità del vento compresa tra il cut-in e quella nominale è

possibile adottare la velocità di rotazione corrispondente allo

sfruttamento ottimale della turbina

Aerogeneratori accoppiati mediante convertitore - 2

È possibile variare la frequenza in modo da ottenere una riduzione della

potenza estratta nel range n > nn

Sigfried Heier

“Grid integration of Wind

Energy Conversion Systems”

John Wiley and Sons, 1998

Double fed induction generator

La potenza che

attraversa il convertitore

sul rotore è minore (20-30

%) di quella che attraversa

il convertitore sullo statore

Le perdite e il costo del

convertitore sul rotore

sono minori

La capacità di

regolazione della velocita è

minore nel caso del double

fed generator (± 30 % della

velocità di sincronismo)