ENERGIE RINNOVABILI:IL CASO DELL’EOLICO

C.d.L. in Ingegneria per l’ambiente e il territorio – a.a. 2018/19

Candidato:Simone Carfora – N49/758Relatore:Prof. Ing. Bruno de Gennaro

FONTI DI ENERGIA

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Rinnovabilisi rigenerano alla stessa velocità con la quale si utilizzano

Non rinnovabilitendono ad esaurirsi senza poter essere reintegrate

– esauribili

– non esauribili

– esauribili

Parte integrante delle energie non rinnovabili sono i processi di combustione, responsabili di circa il 70% del surriscaldamento globale e delle sue

conseguenze, quali:

a. Scioglimento dei ghiacciaic. Fenomeni metereologici

estremi

b. Peggioramento della qualitàdell’aria d. Carestie e siccità

FONTI DI ENERGIA – NON RINNOVABILI

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Rappresenta la migliore soluzione al surriscaldamento globale,prevedendo l’utilizzo di fonti energetiche che non pregiudichino le risorse

naturali delle generazioni future, quali:

POLITICA VERDE

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a. Energia solarec. Energia idrica

b. Energia eolica d. Biomasse

SFRUTTAMENTO TRAMITE TURBINETEORIA DI BETZ

Potenza estraibile da una turbina:

A= area spazzatav1= velocità del vento indisturbatoa= fattore di interferenza

Rapportando la potenza con la potenzaassoluta, si ottiene il coefficiente dipotenza, che diventa massimo quandoa= 1/3 :

59,3% è il massimo rendimentoenergetico in una turbina.

GENERAZIONE DEL VENTOIl vento è il risultato del motoconvettivo dell’aria, causato dalriscaldamento irregolare dellasuperficie terrestre, da zone ad altapressione a zone a bassa pressione.

Esso è influenzato da:

– orografia– vicinanza al mare– Forza di Coriolis– topografia– Altitudine

Analizzando tutti questi fattori, sipossono individuare i siti a vocazioneeolica.

ENERGIA DEL VENTO

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ANALISI DEI CARICHI sull’IMPIANTO

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Carichi stazionari: invarianti nel tempo, possono essere statici o rotanti

Carichi transitori: variabili in base alla risposta ad eventi temporanei

Carichi impulsivi: transitori, ma di grande intensità

Carichi ciclici: varianti secondo schemi regolari o periodici (es. Yaw)

Carichi indotti: ciclici, derivanti dalla risposta di una parte che lavora a frequenze maggioridi quelle progettate

COMPONENTI dell’IMPIANTO

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FONDAZIONIElemento di unione tra torre e terreno, che scarica tutti i carichistatici e dinamici dell’aerogeneratore. Deve sopportare elevatimomenti e permettere il lavoro della turbina in qualsiasicondizione di progetto.

On-shoreBasamenti in calcestruzzoarmato, solitamente circolari,che permettono una riduzionedel volume ed una miglioredistribuzione dei carichi.

Off-shoreTre configurazioni possibili:monopile, gravity foundation etripod jacket

COMPONENTI dell’IMPIANTO - FONDAZIONI

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COMPONENTI dell’IMPIANTO - TORRETORRE

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Supporto per innalzare il rotore rispetto al suolo, dovel’intensità del vento è maggiore. Essa deve inoltre resistere alpeso della pala e della gondola , oltre che ai carichi delvento.

a. Tubolare freestanding b. Traliccio freestanding

a. Tubolare guyed a. Traliccio guyed

Classificazione per tipologie

Freestanding: torri autoportanti, molto resistentie poco ingombranti; vengono utilizzategeneralmente per grandi impianti, dato chenecessitano di fondazioni molto onerose

Guyed: presentano cavi di supporto, sono facilida installare ed hanno costi bassi; gli svantaggisono legati allo spazio occupato e al pericolo dicedimento dei cavi di supporto, per cui sonoideali per aerogeneratori di piccola taglia

Classificazione per forma

Tubolari

A traliccio

Il materiale più utilizzato è di certo l’acciaio,verniciato o galvanizzato per evitare i problemilegati alla corrosione: è sicuramente il materialepiù adatto, sotto il punto di vista di rigidezza eresistenza, a sopportare i carichi gravanti sullatorre; tutto ciò insieme alla sua economicità, chelo rende molto appetibile per le torri degliaerogeneratori.

Uno degli svantaggi principali è il suo enormepeso, problematica sempre maggiore a causadel continuo aumento della grandezza degliimpianti eolici; di conseguenza, anche iltrasporto delle torri in acciaio è particolarmenteproblematico. Per queste motivazioni, in certesituazioni si è passati al calcestruzzo rinforzato,che è più leggero e riesce comunque adassolvere alle funzioni richieste.

COMPONENTI dell’IMPIANTO - TORRE

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a. Tubolare freestanding b. Traliccio freestanding

a. Tubolare guyed a. Traliccio guyed

Focus materiali

TORRE

La gondola è il guscio metallico che contiene tutti gliapparati meccanici e di controllodell’aerogeneratore. È montato sopra la torre e ruotasu di essa per seguire la direzione del vento,attraverso un meccanismo a ruote dentate dettoderiva di rotta. Nella gondola sono contenuti l’alberodi trasmissione lento, il moltiplicatore di giri l’alberoveloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari.

Essa è normalmente costituita da un materialeleggero, un requisito fondamentale per la gondola,al di là del tipo di materiale, per evidenti ragioni:tipicamente compositi con fibre di vetro che sonofacili da stampare, leggeri, resistenti alla corrosione.

COMPONENTI dell’IMPIANTO - GONDOLA

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GONDOLA

COMPONENTI dell’IMPIANTO - PALEPALE

Componenti fondamentali, sono il mezzoattraverso cui viene catturata l’energiadel vento. Le dimensioni e il peso dellepale comportano sollecitazioni moltointense, sopportate garantendo rigidezzae resistenza al rotore stesso, tutto ciòassicurando comunque l’efficienzaaerodinamica desiderata. Il momentoflettente risulta essere massimo alla radicedella pala, ed è per questo che essa è piùlarga, assottigliandosi man mano versol’estremità. La parte interna della pala ècava, dato che non ricopre obblighistrutturali.NUMEROSolitamente si utilizzano 3 pale, cherappresentano la configurazione miglioresotto il punto di vista del momentod’inerzia; utilizzarne di più comporterebbeun aumento dei costi, mentre è invecepossibile trovare rotori monopala o bipala. 10

COMPONENTI dell’IMPIANTO - PALEPALE

FOCUS MATERIALIIl materiale per una pala eolica deve avere iseguenti requisiti:• Rigidezza, necessaria per una buona

performance aerodinamica, abbinata adeformazioni limitate;

• Bassa densità, per ridurre carichi inerziali egravitazionali;

• Lunga vita a fatica, per ridurre il degradodell’opera nel corso della vita utile.

La scelta del miglior materiale viene fattavalutando il coefficiente di merito Mb oppureconsiderando la rigidezza su scala assoluta.Legno

Primo materiale utilizzato, fin dall’800’,attualmente utilizzato per piccoli impianti. E’resistente, disponibile e ha buone capacità afatica, ma il problema è la bassa rigidezza, chelo rende un materiale superato.MetalliUtilizzati da fine ‘800, per primo l’acciaio, il cui

problema è stato da sempre il peso, motivo percui si è passati all’alluminio, che comunque hacosti elevati ed è soggetto a fatica nel tempo.Anche questi materiali risultano oramai superati. 11

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COMPONENTI dell’IMPIANTO - PALEPALE

FOCUS MATERIALI

MATERIALI COMPOSITI

Attualmente largamente utilizzati, sono costituiti dafibre che danno rigidezza e resistenza, e da unamatrice di resina responsabile della tenacità a frattura.FIBRELe fibre di vetro sono il rinforzo per antonomasia, con i

seguenti vantaggi: costo basso, alta resistenza arottura e a compressione, buona tenacità e resistenzachimica. Lo svantaggio principale è legato alla bassarigidezza, per cui nell’ultimo decennio hanno attiratomolto interesse le fibre di carbonio, che permettono diprodurre pale più rigide e leggere a parità di peso.MATRICIA causa dei requisiti di basso peso, i polimeri sono la

scelta principale. Le catene più utilizzate sono lapoliestere e l’epossidica. Inoltre, ultime ricerche hannoportato all’utilizzo di matrici biodegradabili, a base diamido, acido lattico o zuccheri.

RICERCA ED INNOVAZIONEI GIGANTI DEL VENTO

Le future centrali eoliche avranno

dimensioni enormi, per soddisfare

fabbisogni energetici sempre maggiori.

Probabilmente, questi enormi impianti

saranno off-shore, per evitare

l’inquinamento visivo di panorami, coste

e pianure.

LE TURBINE CHE IMITANO I COLIBRIQuesta turbina si basa su due pale cheoscillano simulando il movimento delleali dei colibrì. Descrivendo questo moto,si cattura energia sia in motoascendente che in moto discendente.La sua conformazione permetterebbeuna maggiore densità di elementi-turbina, riducendo inoltre la rumorositàdell’impianto e il disturbo verso gliuccelli.

TURBINE SENZA PALEIl palo-generatore sfrutta la vorticità,effetto aerodinamico che producepiccoli vortici vibranti; i materialicostituenti devono essere leggeri epermettere ampie oscillazioni. Allabase ci sono due anelli conmagneti che si respingono, perrilanciare il movimento oscillatorio.La resa energetica è minore, cosìcome lo spazio occupato.

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Diapositiva numero 1Diapositiva numero 2Diapositiva numero 3Diapositiva numero 4Diapositiva numero 5Diapositiva numero 6Diapositiva numero 7FONDAZIONITORRE TORRE GONDOLA COMPONENTI dell’IMPIANTO - PALE COMPONENTI dell’IMPIANTO - PALECOMPONENTI dell’IMPIANTO - PALEDiapositiva numero 15