Filippo Didonna, Gianmario l. Arnulfi, Tesi Di Laurea Progettazione Di Un Piccolo Aeromotore Ad Asse...

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI UDINE

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Facolta di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Dipartimento di Energetica e Macchine

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Tesi di Laurea

PROGETTAZIONE DI UN PICCOLO AEROMOTORE

AD ASSE ORIZZONTALE

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-Relatore LaureandoProf. Gianmario L. Arnulfi Filippo Didonna

Anno Accademico 2009/10

Coraggio! Il meglio e passato!Ennio Flaiano

Ai miei genitori.

Alla mia ragazza Samantha.

All’arma di Cavalleria dell’Esercito Italiano che ha reso possibili molte cose.

Sommario

Il presente elaborato riguarda la ri-progettazione del rotore di una macchina eolica destinata amuovere un generatore elettrico di piccola potenza.

Il lavoro, affrontato sia sotto l’aspetto analitico che sperimentale, e stato riassunto nellapresente relazione articolandolo in tre parti.

Nella prima parte, di carattere bibliografico, raccolta nel secondo e terzo capitolo, si rias-sumono i problemi generali che spingono alla ricerca di sistemi di utilizzazione delle energierinnovabili, i motivi per i quali l’energia eolica sembra essere la piu promettente di questetecnologie ed i problemi generali da affrontare quando si vuole installare un generatore eolico.

Nella seconda parte (quarto capitolo) si entra nello specifico della progettazione di pale aprofilo aerodinamico utilizzando la teoria dei vortici di Glauert e, successivamente, si esegue laverifica del progetto e la predeterminazione delle curve caratteristiche del rotore finito.

Nella terza parte (quinto capitolo) si confrontano i dati delle prove sperimentali condottesulla macchina originale con i risultati ottenuti dalla predeterminazione delle sue caratteristichee con quelli relativi alla macchina ri-progettata.

ii Sommario

Indice

Sommario i

1 Introduzione 11.1 Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Obiettivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Metodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Il problema energetico 52.1 Lo sviluppo sostenibile e la gestione delle risorse naturali . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Risorse energetiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3 Energia alternativa ed energia rinnovabile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4 Energia eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5 Impatto dello sfruttamento eolico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.5.1 Impatto visivo, modifica del paesaggio e occupazione del territorio . . . . 112.5.2 Impatto acustico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.5.3 Effetti su flora e fauna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.5.4 Interferenze sulle telecomunicazioni ed effetti elettromagnetici . . . . . . 162.5.5 Emissioni evitate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5.6 Interferenze locali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3 Sistemi di conversione dell’energia eolica 193.1 Variazioni periodiche della velocita del vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1.1 Dipendenza dalla quota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.1.2 Effetti dei rilievi e scelta del sito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2 Energia disponibile dal vento e legge di Betz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3 Classificazione degli aerogeneratori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.4 Aerogeneratore ad asse verticale (VAWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4 Il modello ITDG IT-100 294.1 Descrizione tecnica e metodologia di progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2 Descrizione del generatore elettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3 Progetto dell’aeromotore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.3.1 Determinazione del regime di funzionamento nominale . . . . . . . . . . . 324.3.2 Pale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.4 Verifica e predeterminazione delle caratteristiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.5 Sistema di orientazione e di protezione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5 Confronto tra la macchina costruita e quella ri-progettata 55

Conclusioni 59

iv INDICE

Ringraziamenti 61

Bibliografia 63

Elenco delle tabelle

2.1 Stime di mortalita aviaria annua riferita al territorio degli Stati Uniti . . . . . . 15

4.1 Generatore con magneti in ferrite, prova con un carico di 105 W a diverse velocitadi rotazione ω (η: rendimento elettrico complessivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.2 Generatore con magneti in NdFeB, prova con un carico di 105 W a diverse velocitadi rotazione ω (η: rendimento elettrico complessivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.3 Risultati alla punta della pala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.4 Risultati su tutta la lunghezza della pala al variare della distanza dall’asse di

rotazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.5 Variazione dei parametri aerodinamici di un profilo NACA 4412, con l’angolo di

incidenza (Reynolds = 300 000) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.6 Prospetto dello svergolamento ideale della pala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.7 Prospetto dello svergolamento semplificato della pala . . . . . . . . . . . . . . . . 394.8 Foglio di calcolo per la predeterminazione delle caratteristiche di funzionamento

del rotore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.9 Relazione tra velocita del vento e potenza prodotta . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.10 Relazione tra velocita del vento e potenza prodotta con indicazione della resi-

stenza aerodinamica assiale e della tensione corrispondente . . . . . . . . . . . . . 48

5.1 Pale “Peru NACA4412” progettate da Teodoro Sanchez . . . . . . . . . . . . . . 555.2 Relazione tra velocita del vento e potenza prodotta, calcolata per la macchina

costruita in Peru, con indicazione della resistenza aerodinamica assiale e dellatensione corrispondente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

vi ELENCO DELLE TABELLE

Elenco delle figure

2.1 Previsione di sviluppo delle emissioni globali di CO2 per settore secondo lo sce-nario dell’ Energy [R]evolution (“EFFICIENZA”: Riduzione di CO2 comparataallo scenario di riferimento) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Scala delle percezioni del rumore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.1 Vista esplosa del generatore a magneti permanenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2 Disposizione delle bobine nello statore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.3 Vista esterna del generatore, misure in mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.4 Triangolo di velocita alla punta della pala e forze di portanza e resistenza generateda un profilo aerodinamico (NACA4412) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.5 Grafici dei coefficienti di potenza di vari tipi di rotori al variare della velocitaadimensionale λ = u/v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.6 Layout del rotore con svergolamento ideale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.7 Layout del rotore con svergolamento semplificato . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.8 Pala del rotore con indicazione delle sezioni di calcolo, misure in mm, profiloaerodinamico base NACA 4412. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.9 Curve fr(λ) per la pala progettata, per diversi valori della distanza r della sezionedall’asse di rotazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.10 Curve mr(λ) per la pala progettata, per diversi valori della distanza r della sezionedall’asse di rotazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.11 Curve fr(r/R) per la pala progettata, dall’alto verso il basso per diversi valori delparametro λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.12 Curve mr(r/R) per la pala progettata, dall’alto verso il basso per diversi valoridel parametro λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.13 Variazione di Cf con λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.14 Variazione di Cm e di Cp con λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.15 Curve di potenza e di forza assiale sviluppata in funzione della velocita del vento 48

4.16 Particolare del sostegno del generatore elettrico con indicata la distanza dax tragli assi sghembi di rotazione del piano delle pale (orizzontale) e di rotazione delcomplesso della macchina (verticale), e l’angolo θ (misure in mm). . . . . . . . . 50

4.17 Vista laterale del generatore eolico completo con indicazione delle forze agenti. . 51

4.18 Vista dall’alto del generatore eolico completo con indicazione delle forze agenti. 51

4.19 Rappresentazione grafica della 4.26 che esprime la produzione elettrica in fun-zione della velocita del vento per la macchina progettata. . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1 Confronto tra la curva di potenza teorica calcolata tramite la teoria di Glauertper l’aerogeneratore costruito in Peru, ed i dati sperimentali delle prove sul campo. 57

viii ELENCO DELLE FIGURE

5.2 Confronto tra il coefficiente di potenza Cp in funzione della velocita adimensionaleλ = u/v calcolato per la macchina progettata (linea continua) e quello calcolatoper la macchina costruita da ITDG-Peru (linea tratteggiata) . . . . . . . . . . . . 57

5.3 Confronto tra la curva di potenza calcolata per la macchina progettata (li-nea continua), quella calcolata per la macchina costruita da ITDG-Peru (lineatratteggiata) ed i dati sperimentali della prova sul campo della seconda . . . . . 58

Capitolo 1

Introduzione

1.1 Premessa

L’energia e legata a tutte le attivita umane ed allo stesso tempo, molti degli oggetti di cuici serviamo nel corso della vita hanno bisogno di energia per essere utilizzati e/o ne hannoavuto bisogno per essere prodotti; l’energia ci permette di riscaldare le nostre case, come puredi illuminarle, ci permette di spostarci e di sfamarci, moltiplicando la capacita produttiva deiterreni. Nel corso della storia, l’uomo ha cercato di usarla in maniera sempre piu efficiente dalmomento che e proprio da essa che dipende il suo benessere materiale, ma e soprattutto neitempi moderni che, con l’aumento della popolazione mondiale, dall’uso efficiente dell’energiaha cominciato a dipendere la stessa sussistenza del genere umano almeno per quanto competela differenza di popolazione tra il prima ed il dopo la rivoluzione industriale e soprattutto la“rivoluzione del petrolio”.

In altre parole, l’uomo e riuscito a migliorare costantemente la qualita della propria vita infunzione del continuo sviluppo dell’efficienza di sfruttamento delle fonti energetiche, passandodall’utilizzo del fuoco per arrivare a quello dell’uranio, e questo ha fatto sı che la popolazioneterrestre aumentasse ben oltre il livello di prima del XIX secolo.

Proprio a causa di cio, questo modello di sviluppo, basato sullo sfruttamento di materialie delle fonti energetiche non rinnovabili, sta portando alla luce le sue grandi contraddizioni.Gli effetti prodotti dalle attivita umane sull’ecosistema del nostro pianeta sono ormai evidentinei cambiamenti climatici in atto. L’utilizzo su larga scala di combustibili fossili, come prima-ria fonte di energia, causa l’emissione nell’atmosfera di grandi quantita di anidride carbonica,considerata da molti la principale causa dell’effetto serra. Da tutto questo e dalla limitatezzadelle riserve stimate di combustibili fossili, nasce la necessita di individuare e sfruttare fonti dienergia alternative, come le rinnovabili.

Questa opzione e giustificata, sul piano quantitativo dalla sovrabbondanza del potenzialeenergetico sfruttabile, su quello qualitativo, dalla compatibilita ambientale del ciclo di sfrutta-mento dell’energia rinnovabile o, meglio, di produzione di exergia da fonti energetiche rinnova-bili. Inoltre l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili permette di dare un accenno di rispostaalla problematica della diversificazione delle fonti energetiche: la totale dipendenza dal petro-lio, infatti, porta, in corrispondenza di crisi economiche mondiali, ad aumenti incontrollati delprezzo dell’energia con grosse ripercussioni sull’economia dei paesi.

Naturalmente ogni innovazione scientifica presenta, all’inizio, dei problemi quali, ad esempio,la difficile prevedibilita della disponibilita di potenza, che si ripercuote sull’incognita del tempodi recupero dell’investimento, dato che e molto difficile che un impianto al energia rinnovabilefunzioni per 8 766 ore annue. Ma nuove soluzioni tecnologiche hanno permesso una notevoleriduzione dei costi, favorendo la diffusione di questo tipo di impianti, che occupano una porzione

2 Introduzione

sempre piu grande nel bilancio elettrico di diversi Paesi, per la verita, quasi esclusivamenteeuropei.

Non va pero dimenticato che, in alcuni casi, la possibilita di sfruttare le risorse naturaliper la produzione di energia elettrica puo migliorare la qualita del servizio fornito agli utenti:pensando infatti al caso di utenze lontane dalla rete elettrica di distribuzione e con difficoltadi approvvigionamento di materie prime, l’utilizzo di generatori a propulsione rinnovabile puoportare dei benefici per quanto riguarda la disponibilita energetica. Inoltre la generazionedistribuita, che si sta diffondendo negli ultimi tempi, consente di sopperire alla bassa densitadi energia per unita di superficie che caratterizza queste fonti, ed in particolare la risorsa eolicae quella solare.

Ed e proprio in questo ambito che si inserisce il presente lavoro.

1.2 Obiettivo

Il presente lavoro, si propone di ri-progettare le pale da accoppiare ad un generatore elettricoadatto per applicazioni mirate alla cooperazione internazionale per le ONG che si prefiggono larealizzazione di progetti basati sull’elettrificazione rurale di aree disagiate.

Nello specifico, partendo da un generatore elettrico espressamente pensato per la costruzio-ne in loco, a basso costo, in aree rurali del Peru come da Piggot [1], ci si e proposto lo studio,dal punto di vista aerodinamico, dello svergolamento ottimale per le pale da accoppiarvi, te-nendo conto, sia delle caratteristiche aerodinamiche desiderate, che della facilita di costruzione,tutto questo, pero tenendo ferma la scelta del profilo “NACA 4412”, fatta originariamente inSanchez et al.[2], per motivi di resistenza meccanica alle sollecitazioni, dato che ogni singolapala andra costruita a partire da due gusci di vetroresina modellati in due stampi e fatti saldaredurante la polimerizzazione, in modo da formare una cavita all’interno del manufatto.

Si tratta, naturalmente, di un processo di costruzione molto semplificato, ad esempio sarebbemolto meglio preparare la pala sempre in vetroresina, ma partendo da un nucleo di spuma dipoliuretano modellato all’interno di uno stampo progettato per tener conto di uno strato divetroresina che sia il piu sottile possibile, dato che, come si vedra la maggior parte degli sforziche subisce la pala di un generatore eolico durante il normale esercizio, e costituita da forze ditipo inerziale (proporzionali al peso della pala stessa).

Ancora meglio, prefiggendosi un processo di modellazione come quello appena descritto, sipotrebbe valutare se scegliere un profilo aerodinamico piu sottile e che opponga meno resistenzaal moto, ma che abbia le stesse caratteristiche di resistenza meccanica alle sollecitazioni, in virtudella riduzione di peso.

Non si e entrati nel merito di queste scelte, ma non e escluso che un successivo lavoro possavertere proprio sul perfezionamento strutturale e tecnologico delle pale, oltre che del genera-tore elettrico, cio nonostante si sono ottenuti risultati significativi anche solo riprogettando losvergolamento della pala.

1.3 Metodo

Si premette che il generatore eolico a magneti permanenti ha una caratteristica molto partico-lare: e una macchina generalmente di piccola potenza (anche se si ha notizia di aerogeneratoridi potenza medio-alta di fabbricazione francese dotati di giganteschi generatori elettrici a ma-gneti permanenti), per cui soggetta ad un interesse per lo piu di nicchia, il calcolo della suacurva caratteristica risulta essere complicato dal fatto che la sua velocita di rotazione non epredeterminata dalla connessione alla una rete elettrica. In questo risulta essere simile solo adun altro tipo di macchina realizzato in precedenza: il rotore di portanza dell’autogiro.

1.3 Metodo 3

Ad onor del vero anche i grossi aerogeneratori connessi alla rete di distribuzione elettrica,non hanno una velocita di rotazione rigorosamente costante, in quanto, per lo standard daneseche si e andato diffondendo sempre piu per la facilita di regolazione, essi sono dotati di generatoriasincroni, i quali hanno si una velocita di sincronismo determinata dal tipo di rete alla qualesono connessi, ma generano potenza elettrica attiva solo se spinti di poco al di sopra di questavelocita di rotazione, eliminando la necessita di regolare la sincronizzazione con la rete e conl’unico onere di rifasare la potenza elettrica prodotta. Ma, ad ogni modo, la velocita di rotazionedi queste macchine varia entro dei limiti abbastanza ristretti.

Cosı non e invece per la macchina eolica accoppiata ad un generatore a magneti permanenti,la cui velocita di rotazione e funzione della velocita del vento e del momento frenante dovuto alfunzionamento sotto carico del generatore elettrico. Percio ci si e avvalsi, per la determinazionedelle curve caratteristiche della macchina, di studi di aerodinamica del rotore, ed in particolaredella teoria di Glauert, ottimamente spiegata in Le Gourieres [3].

Si e cosı arrivati alla curva di potenza della macchina eolica e la si e confrontata con i datidelle prove sul campo della macchina costruita in Peru ad opera del gruppo ITDG e descrittain Sanchez-Chiroque [4] e Sanchez et al.[5].

4 Introduzione

Capitolo 2

Il problema energetico

2.1 Lo sviluppo sostenibile e la gestione delle risorse na-turali

Per comprendere meglio la grave situazione attuale ed i problemi relativi alla necessita diaumentare la produzione d’energia come le fonti rinnovabili, e necessario esaminare, a grandilinee, il problema della gestione delle risorse naturali. Attualmente, la crescita dei consumienergetici mondiali, la prospettiva di esaurimento del petrolio e le conseguenti emissioni di gasserra che stanno alla base della variazione del clima globale causata dall’impiego dei combustibilifossili (carbone, petrolio e gas naturale) pongono il tema della ricerca di nuove fonti di energiapulita e abbondante.

Il problema della gestione delle risorse naturali fu un’esigenza che si manifesto, in manieraforte, gia nel corso del diciannovesimo secolo. In quell’epoca, si comprese l’importanza diesaminare il rapporto dell’aumento demografico con la possibilita di gestire le risorse naturaliin modo da poter soddisfare l’intera popolazione mondiale. Il problema fu sentito in manieracosı intensa che, in questo contesto, si sviluppo la teoria di Thomas Robert Malthus, un pastoreanglicano, che scrisse un saggio sul principio di popolazione.

Analizzando i diversi periodi storici, all’epoca della Rivoluzione Francese, vi fu una crescentenecessita di cibo e lavoro, a causa di una rilevante crescita demografica.

Dal 1650, in cui la popolazione in Europa contava circa 100 milioni di persone, si passo al1800, in cui il numero delle persone era pressoche raddoppiato. La vertiginosa crescita demogra-fica aveva messo in difficolta in particolar modo l’Europa, perche la popolazione cresceva moltopiu rapidamente rispetto alle risorse naturali disponibili. Ogni venticinque anni la popolazioneraddoppiava, mentre le risorse crescevano in modo molto meno rapido. Gia all’epoca si capıche le risorse sarebbero mancate, perche insufficienti alle esigenze della popolazione. Si ebbe lasensazione che anche il cibo non sarebbe stato sufficiente per soddisfare tutto il genere umano.

Malthus, nel 1798, pubblico “An Essay of the principle of the population as it affects thefuture improvement of society” (Saggio sul principio della popolazione)1, in cui sostenne che lacrescita demografica non e ricchezza per una nazione. Le classi lavoratrici tendono a reagire aun miglioramento del tenore di vita e, quindi, vi e un aumento della procreazione.

In egual modo, il rendimento dei terreni tende a decrescere con la messa a coltura di terrenon adatte alla coltivazione. Malthus riteneva che per contrastare la miseria fossero efficaci soloi “freni preventivi” (come il posticipo dell’eta matrimoniale e la castita prematrimoniale) e i“freni repressivi” (come le guerre e le carestie).

1La prima edizione dell’opera fu pubblicata in forma anonima. Furono pubblicate altre 5 edizioni tra il 1803e il 1826, in cui l’opera fu ampliata e ripubblicata con il nome dell’Autore.

6 Il problema energetico

Di diversa posizione si dimostro Ralph Waldo Emerson, uno dei piu grandi esponenti del pen-siero americano, che, nel criticare il malthusianesimo, osservava che esso non poneva attenzionealla capacita inventiva e tecnologica dell’uomo2.

In effetti, pur essendo la teoria malthusiana corretta e ancora valida, analizzava il problemasenza tener conto di molte variabili, e all’epoca di Malthus la tecnologia salvo dal tracollo ilgenere umano.

Tuttavia, non si comprese che anche la capacita inventiva dell’uomo puo non avere alcunaincidenza positiva, se non viene diretta ad anticipare e prevenire le conseguenze catastrofichedello smisurato consumo da parte dell’uomo e dell’aumento demografico.

Il verificarsi di questa situazione catastrofica venne impedita, in primo luogo, dall’emigra-zione, perche la conquista di nuove aree del pianeta porto a decongestionare l’Inghilterra. Poiva ricordata la rivoluzione agricola, che consentı di produrre piu abbondantemente, e dalla ri-voluzione industriale, che porto alla sostituzione dell’uomo con le macchine. Grazie a questescoperte, il prodotto nazionale inglese riuscı ad aumentare di 14 volte, scongiurando il tracollodemografico.

A questo proposito, non bisogna dimenticare che la scoperta delle macchine a vapore, resedisponibile molta forza lavoro a basso costo che, in ultima analisi, permise l’abolizione dellaschiavitu legalizzata nei paesi a forte sviluppo demografico 3, dapprima in Inghilterra nel 1807,con conseguenti battaglie diplomatiche e non nei confronti di Francia, Spagna, Paesi Bassi ePortogallo, successivamente sancita, con risonanza mondiale, negli Stati Uniti d’America conla vittoria dell’“Unione” sulla “Confederazione” nella guerra di secessione del 1861-65.

Attualmente l’utilizzo delle macchine, e stato integrato dall’utilizzo dell’energia elettricacome vettore energetico, che, rendendo possibile un trasferimento su lunghe distanze di energiameccanica a basso costo, e diventata indispensabile per la vita quotidiana.

L’energia elettrica e adesso prodotta a partire da carbone, gas naturale, derivati del petrolio,fissione nucleare, sistemi idroelettrici e altro. Tuttavia, permangono gli stessi problemi dell’e-poca di Malthus, come la crescita veloce della popolazione con conseguente sovrappopolazione el’aumento dei consumi. Al crescere delle esigenze pro-capite, vi e, in proporzione, una riduzioneimprovvisa delle risorse di combustibili fossili, che sono attualmente gli elementi primari persoddisfare questa mole di bisogni.

I governi ora devono comprendere che solo con una pianificazione razionale, in grado dianticipare e prevenire una parabola discendente, il tracollo potra essere evitato. Solo conl’immediato ricorso alle risorse naturali inesauribili e con il controllo dei consumi si puo evitare ilcollasso della civilta, preservando, al contempo, l’ecosistema terrestre e la disponibilita di risorse(a cui risulta essere intimamente collegata la civilta stessa). Infatti benche il punto di vista esoprattutto le conclusioni di Malthus, risultino antiquati ed a tratti ridicoli, tuttora (assieme abuona parte della storia del XX secolo) danno una misura dei baratri di pensiero che e in gradodi raggiungere la mente umana quando la ragione non e in grado (anche temporaneamente) didare le risposte giuste.

Da questo punto di vista, solo le fonti rinnovabili ed il contenimento dei consumi, possonodare un rilevante contributo nel disegnare un nuovo percorso energetico ambientale sostenibile.

2Secondo Ralph Waldo Emerson, Malthus affermando che le bocche da sfamare si moltiplicano geometrica-mente e il cibo aritmeticamente, dimentico che la mente umana era un importante fattore nell’economia politica,e che i crescenti bisogni dell’uomo sarebbero stati soddisfatti da un crescente potere d’invenzione

3Correttamente, il primo paese a proibire la tratta degli schiavi fu la Repubblica Serenissima di Venezia nel960 d.C., con la promissione del XXII Doge Pietro IV Candiano, ma in quell’epoca non si notava un accen-tuato sviluppo demografico come nel XIX secolo, per cui le cause che hanno permesso quest’azione legiferanteumanitaria vanno ricercate in altre esigenze dell’epoca.

2.2 Risorse energetiche 7

2.2 Risorse energetiche

Nel 1956 il geofisico americano Martin King Hubbert4 formulo la sua teoria riguardante l’evo-luzione temporale di una qualsiasi risorsa minerale e fonte fossile esauribile. La teoria permettedi prevedere la data di sfruttamento massimo della risorsa.

Il punto di produzione massima oltre il quale la produzione puo soltanto diminuire, vienedetto “picco di Hubbert”. Secondo numerosi studiosi, lo sfruttamento del petrolio e talmenteaumentato che sta superando “il picco di Hubbert”. Sarebbe a dire che il petrolio, la fonte ener-getica che attualmente ha il piu basso coefficiente inquinamento⋅costo

disponibilita, sta rapidamente aumentando

il suo costo di estrazione mentre diminuisce la sua disponibilta.

Secondo le attuali ipotesi sull’incremento della popolazione, nel 2050 saremo, nella peggioredelle ipotesi, 9,4 miliardi; i piu catastrofici prevedono 14,5 miliardi. Dell’intera popolazionemondiale gli Stati Uniti rappresentano solo il 4,5% della popolazione mondiale, pero da soliconsumano il 25% della produzione annua di petrolio dell’intero pianeta. Non utilizzando asufficienza fonti rinnovabili, si prevede il rischio dell’esaurimento delle fonti attuali. Il futuro eancora piu nefasto se si considerano le previsioni d’aumento della popolazione.

Anche se le fonti fossero infinite, l’incremento demografico sarebbe, in ogni caso deleterioper l’inquinamento: le attuali fonti d’energia, oltre a non essere rinnovabili, producono anche“effetto serra” e, di conseguenza, aumento del riscaldamento globale.

Greenpeace ha elaborato il rapporto Energy [R]evolution [6]5 per dimostrare che dimezzarele emissioni di CO2 entro il 2050 e possibile. Attualmente, l’uomo immette in atmosfera 23miliardi di tonnellate di CO2 l’anno. Tali emissioni sono destinate a raddoppiare entro il 2050,superando quota 45 miliardi di tonnellate l’anno. Secondo Energy [R]evolution [6], e possibiledimezzarle, arrestandosi a 11,5 miliardi di tonnellate, attraverso il ricorso adeguato alle fontidi energia rinnovabili.

Per arrestare il cambiamento climatico e contenere il riscaldamento globale sotto la sogliadei 2 °C, soglia oltre la quale, secondo alcuni, il processo diventerebbe irreversibile, occorreabbattere le emissioni di CO2 del 30% entro il 2020 e di almeno il 50% entro il 2050.

Milioni di tonnellate

50 000

45 000

40 000

35 000

30 000

25 000

20 000

15 000

10 000

5 000

0

"EFFICIENZA"

TRASPORTI

ALTRI SETTORI

INDUSTRIA

RETE ELETTRICA E COGENERAZIONE

2003 2010 2020 2030 2040 2050

Figura 2.1: Previsione di sviluppo delle emissioni globali di CO2 per settore secondo lo scena-rio dell’ Energy [R]evolution (“EFFICIENZA”: Riduzione di CO2 comparata allo scenario diriferimento)

4Hubbert, geofisico presso i laboratori di ricerca della compagnia petrolifera Shell Oil Company, osservol’evoluzione della produzione di carbone in Pennsylvania ed elaboro una trattazione matematica generalizzataper dimostrare l’andamento della produzione di qualsiasi giacimento di fonte fossile (curva di Hubbert).

5Energy [R]evolution: a sustainable World Energy Outlook , lanciato nel gennaio 2007 in tutto il mondo daGreenpeace, e sviluppato insieme a EREC – European Renewable Energy Council, e il primo rapporto finalizzatoa fornire una strategia globale e dettagliata su come ristrutturare il sistema energetico mondiale, consentendoun taglio delle emissioni globali di CO2 di quasi il 50 per cento entro i prossimi 43 anni.


Il grafico in figura 2.1, tratto da Energy [R]evolution [6], mostra l’andamento delle emissionidi CO2 a livello mondiale fino al 2050 secondo lo scenario Energy [R]evolution. Esso riflette lasperanza secondo cui, tramite l’efficienza energetica sarebbe possibile risparmiare il 74% delleemissioni di gas serra, equivalente a circa 34 miliardi di tonnellate l’anno.

Le previsioni si basano, non solo sulle potenzialita di sviluppo a livello mondiale delle tecnolo-gie rinnovabili, ma anche su quanto formulato nel rapporto “Energy [R]evolution: a sustainableWorld Energy Outlook” , che prende in considerazione tre fattori fondamentali:

� Sviluppo della popolazione (il numero di persone che consumano energia) – secondo leproiezioni delle Nazioni Unite si stima che la popolazione del pianeta passera da 6,3 a 8,9miliardi di persone;

� Crescita economica (di cui il Prodotto Interno Lordo e l’indicatore piu usato. In ge-nere un incremento di PIL provoca un aumento di domanda energetica) – le proiezionidell’International Energy Agency – IEA – stimano che il PIL mondiale crescera del 3,7%fino al 2010, e del 2,7% dal 2010 in poi;

� Intensita energetica (quanta energia e richiesta per produrre una unita di PIL) – le pro-iezioni dell’IEA stimano che l’intensita energetica decrescera a un tasso medio annuo del1,3% fino al 2050. Questo dovrebbe portare ad una riduzione naturale del 45%.

Lo scenario proposto da Greenpeace si basa su cinque ipotesi iniziali:

� eliminazione di tutti gli incentivi alle fonti fossili e al nucleare;

� definizione di obiettivi vincolanti per lo sviluppo delle fonti rinnovabili;

� definizione di meccanismi d’incentivazione per le energie rinnovabili, tali da renderle sicureper gli investitori;

� priorita d’accesso alla rete elettrica per gli impianti rinnovabili;

� definizione di rigidi standard che garantiscono la produzione di elettrodomestici, apparec-chiature e macchinari molto efficienti.

Obiettivo di Greenpeace e di questo rapporto e che entro il 2050 circa il 75% dell’elettricitapotrebbe essere prodotta da fonti rinnovabili (idroelettrico, eolico e solare), mentre nel settoredella fornitura di calore il contributo delle rinnovabili (biomasse, collettori solari e geotermico)potrebbe crescere fino al 65%. Sara cosı possibile ridurre le emissioni di gas serra del 50%, perscongiurare la minaccia dei cambiamenti climatici.

2.3 Energia alternativa ed energia rinnovabile

Spesso si confonde l’energia “alternativa” con quella “rinnovabile”. Tuttavia, non tutte le fontid’energia “alternative” sono “rinnovabili”.

Per fonte di energia alternativa s’intende qualunque fonte di produzione d’energia che nonavviene mediante l’utilizzo di combustibile fossile.

Non esiste, invece, una definizione univoca delle fonti rinnovabili per le diverse opinioni chevi sono sull’inclusione o meno di una o piu fonti nel gruppo delle rinnovabili. Secondo il D.L.16 marzo 1999, n. 79 sono considerate “rinnovabili”:

� il sole

� il vento

2.3 Energia alternativa ed energia rinnovabile 9

� le risorse idriche

� le risorse geotermiche

� le maree

� il moto ondoso

� la produzione di energia elettrica da prodotti vegetali o rifiuti organici e inorganici.

Il vigente Decreto Legislativo 29 dicembre 2003, n. 387, propone, invece, la seguentecatalogazione per le fonti energetiche rinnovabili non fossili o fonti rinnovabili:

- eolica

- solare

- geotermica

- del moto ondoso

- maremotrice6

- idraulica

- biomasse – la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura(comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse,nonche’ la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani

- gas di discarica

- gas residuati dai processi di depurazione

- biogas

Non sono considerate quindi rinnovabili le fonti di energia nucleare, pur essendo fonti “alter-native” rispetto a quelle fossili, in quanto il loro utilizzo dipende da riserve limitate di materialiche non si rigenerano alla stessa velocita con cui vengono consumate e pone seri problemi disicurezza e smaltimento dei prodotti di scarto.

A volte non e considerata “rinnovabile” l’energia geotermica, ossia l’energia elettrica prove-niente dallo sfruttamento del calore del suolo (in particolare delle rocce presenti nella profonditadella terra), mentre nell’ambito dei movimenti ambientalisti, spesso e scartata l’energia prodottadai rifiuti solidi urbani.

Le fonti rinnovabili sono importantissime perche sono inesauribili e contribuiscono a tenerepulito il pianeta, ma non tutte le fonti rinnovabili sono prive d’inquinamento. Nel caso diproduzione di energia da biomasse, per esempio, l’emissione di CO2 non e evitabile (anchese, mettendo nel bilancio l’assorbimento di CO2 durante la crescita delle biomasse stesse, ilrisultato sarebbe nullo), ma ancora piu problematica e l’emissione di NOX e di PM10.

La produzione di energia attraverso il sole e, invece, completamente pulita, ma presentaproblemi di occupazione del suolo.

Se si vogliono produrre 3 kW con un impianto fotovoltaico, ci vogliono 30 mq e una spesadi circa 19 500 ¤.

Inoltre, questi 3 kW si riescono a produrre nelle migliori condizioni e, quindi, non si produ-cono di notte o quando vi sono nuvole. Quindi per avere una produzione media di 3 kW occorreavere un impianto di maggiori dimensioni.

6[sic]


Tuttavia il futuro e delle energie rinnovabili: in particolare quelle totalmente pulite, comel’eolico e il solare, che possono fare da apripista per una nuova era di crescita economica edoccupazionale, d’innovazione tecnologica e tutela dell’ambiente. La tecnologia migliorando gliimpianti permettera alla produzione di aumentare con minore impatto ambientale e minor costo.

L’Italia e, tuttavia, rispetto agli altri paesi europei, in ritardo nel campo delle energierinnovabili in generale e dell’eolico in modo particolare, per le resistenze ancor oggi presentia causa della mancata coscienza del pericolo ambientale da parte di alcuni enti preposti allavalutazione ed approvazione degli impianti.

2.4 Energia eolica

La fonte eolica e dovuta al riscaldamento non uniforme da parte del sole della superficie ter-restre. Nella sua rotazione intorno al sole, a causa dell’asse inclinato, esistono vaste zone delpianeta che sono maggiormente irraggiate rispetto ad altre, generando condizioni di differenzadi temperatura tali da permettere lo spostamento di grandi masse d’aria. Le zone maggiormen-te irraggiate agiscono da fonte calda, mentre quelle meno irraggiate operano da fonte fredda.Generando una sorta di gigantesco motore globale, che da origine allo spostamento di grandimasse d’aria nell’atmosfera terrestre.

Soltanto il 2% dell’energia solare che raggiunge la Terra si trasforma in energia eolica.Questa, se pur modesta percentuale rappresenta oltre 100 volte il totale degli attuali consumienergetici mondiali. L’uomo sfrutta soltanto una piccola frazione dell’energia eolica contenutanei primi 120 metri d’atmosfera e con venti di velocita in genere compresa tra i 4 ed i 30metri/secondo.

Da almeno 4000 anni l’uomo ha imparato ad usare in modo vantaggioso l’energia dei venti:dapprima per la navigazione, poi per l’irrigazione e la lavorazione di prodotti agricoli.

Negli Stati Uniti, nell’ambito del Rural Electrification Program degli anni Trenta del Nove-cento, si diffuse l’uso di piccoli aerogeneratori per la produzione di energia elettrica.

In Italia, a partire dagli anni Trenta fino alla fine degli anni Cinquanta, sono state installatemacchine eoliche per il sollevamento dell’acqua.

Negli anni Settanta fu avviata la tecnologia eolica per la produzione di energia elettrica,quando il primo shock petrolifero spinse la ricerca sulle nuove fonti rinnovabili.

Attualmente, quella eolica e una tecnologia da considerare matura; solo in Italia, a fine 2005sono stati installati oltre 1 700 MW d’impianti eolici.

Le macchine eoliche per la produzione elettrica (aerogeneratori) possono essere classificatein due grandi famiglie:

� ad asse orizzontale, quando l’asse del rotore e parallelo alla direzione del vento e le paleruotano perpendicolarmente ad esso.

� ad asse verticale, quando il rotore e perpendicolare alla direzione del vento.

Le macchine ad asse verticale sono adatte a sfruttare venti di direzione variabile e richiedonosistemi di controllo meno complessi.

Gli aerogeneratori ad asse orizzontale richiedono piu complicati sistemi di controllo dellatensione, della frequenza e dell’imbardata, ma presentano il vantaggio di un maggior rendimentoaerodinamico. Per questo motivo, tutte le moderne macchine eoliche sono di questo tipo.

Gli aerogeneratori sono macchine realizzate con materiali compositi, idonei a resistere asollecitazioni, che, nelle macchine piu grandi, sono confrontabili a quelle delle ali di aeropla-ni. Nessun aerogeneratore resisterebbe a tali sollecitazioni, se non fosse munito di complessidispositivi automatici di frenatura e di messa in sicurezza delle pale.

2.5 Impatto dello sfruttamento eolico 11

Gli aerogeneratori hanno generalmente una, due o tre pale. I rotori tripala sono quelli con lemigliori caratteristiche complessive di resa energetica, bassa rumorosita e solidita. La maggiorparte degli aerogeneratori installati nel mondo negli ultimi anni sono del tipo a tre pale.

Le dimensioni variano molto in funzione della potenza. I modelli fino ad oggi piu diffusi diaerogeneratori installati in Italia, detti di “taglia media”, hanno il rotore posto a circa 50 metrid’altezza, con pale lunghe circa 25 metri e sono in grado di erogare una potenza di circa 800kW.

Un aerogeneratore di “grande taglia”, ad esempio da 1 500 kW, e alto circa 80 metri sinoal mozzo, con diametro del rotore di circa 70 metri. Attualmente si stanno realizzando aeroge-neratori piu grandi (da 2-3 MW sulla terraferma e 3-4 MW in mare), che compensano le lorodimensioni con una minore velocita di rotazione e quindi con minor impatto ambientale.

E stata pubblicata recentemente la notizia che una societa tedesca ha prodotto l’aerogene-ratore piu grande al mondo, con pale lunghe 126 metri e in grado di produrre 7 MW, ossia 20milioni di kWh l’anno, sufficiente per coprire il fabbisogno di 5000 famiglie in Europa.

Questo aerogeneratore e stato realizzato con un design modulare e materiali piu leggeri, chediminuendo la resistenza dell’aria, aumentano il rendimento. Inoltre, questo tipo di aerogenera-tore ha minori impatti, in particolar modo per l’avifauna, e grazie a questa tecnologia risultanopiu facili il trasporto e l’installazione dello stesso aerogeneratore.

Piu aerogeneratori collegati insieme formano una centrale eolica. Nelle centrali eoliche ladistanza fra gli aerogeneratori non e casuale, ma calcolata per evitare interferenze reciproche chepotrebbe causare cadute di produzione e generazione di turbolenze in grado di danneggiare gliaerogeneratori stessi. I fattori che determinano la distanza fra gli aerogeneratori dipendono dallecaratteristiche sia anemologiche che orografiche del sito ritenuto interessante per l’installazionedi una macchina.

2.5 Impatto dello sfruttamento eolico

Le moderne macchine eoliche sono macchine di grandi dimensioni in grado di generare discretequantita di elettricita da una fonte di energia a bassa densita di potenza ma rinnovabile e privadi inquinamento.

La turbina eolica tipo, come gia detto nei capitoli precedenti, e una macchina che ha unatorre che va dai 50 agli 80 metri ed un rotore di dimensioni quasi analoghe.

Volendo produrre una quantita significativa di energia, sara necessario installare un discretonumero di aerogeneratori ed interessare una ampia superficie di territorio.

Questo determina la modifica di una serie di fattori ambientali, rendendo necessaria l’analisidi tutti quei problemi derivanti dall’inserimento della centrale eolica in un determinato sito. Inogni caso, i possibili effetti indesiderati degli impianti hanno luogo solo su scala locale e sono:

� l’impatto visivo, la modifica del paesaggio e l’occupazione del territorio;

� la compatibilita con la destinazione urbanistica del territorio;

� l’impatto acustico;

� i disturbi elettromagnetici;

� gli effetti su flora, fauna ed in particolare avifauna.

2.5.1 Impatto visivo, modifica del paesaggio e occupazione del terri-torio

L’impatto visivo e territoriale e l’impatto piu evidente delle installazioni eoliche, oltre ad essereuna delle problematiche piu attuali e che riscuote maggiore preoccupazione.


Gli impianti eolici non possono essere nascosti e devono essere collocati in siti ad elevataventosita.

In Italia, ad esempio, le collocazioni in programma, nel breve periodo, avverranno prevalen-temente in zone interne dell’Appennino e del sub-Appennino delle regioni centro meridionali,nonche in quelle insulari; sono tutte aree in cui l’interesse naturalistico e paesaggistico deveconciliarsi con le necessita di sviluppo delle comunita locali.

Capita spesso poi che in tali zone interne sia presente un deficit di produzione di energiaelettrica, il che da un’ulteriore spinta verso lo sviluppo di tale fonte.

In ogni caso, l’alterazione paesaggistica e dovuta alle turbine e alle torri di sostegno, allestrade e piazzole di manovra e all’elettrodotto di connessione con la rete.

Nel caso di aerogeneratori posti su crinali montani, l’impatto visivo e notevole ed e necessariocostruire gli impianti minimizzandone l’effetto.

Alcuni accorgimenti utili per armonizzare gli aerogeneratori consistono nell’utilizzare coloritenui (tranne per le macchine pericolose per il volo a bassa quota, per le quali si usano colorazionia strisce bianche e rosse, che ne determinino la presenza di giorno, e sono dotate di luci fisse diposizione per renderle visibili di notte).

Una pianificazione territoriale attenta privilegera l’uniformita nella scelta dei sostegni, evi-tando, in uno stesso impianto eolico, di inserire sostegni tubolari e a traliccio.

Nel caso invece di centrale ad alta densita di macchine installate in zone pianeggianti, ilcorretto inserimento nel paesaggio dal punto di vista strettamente visivo e piu facile perchel’impianto non domina un’intera vallata ma e inserito all’interno di una piana con vegetazionepiu o meno ricca che ne mitiga l’impatto visivo almeno finche non si e in prossimita degliaerogeneratori.

Lo studio per la determinazione del sito piu consono in cui installare una centrale eolicain modo da minimizzare il piu possibile gli effetti indesiderati sul paesaggio, non si discosta dimolto dalle metodologie usate per determinare l’impatto ambientale di insediamenti produttivigia esistenti o in fase di progetto.

In questo caso s’imposta un confronto tra l’impatto sul territorio originato da un complessoeolico e l’eventuale impatto di un impianto che sfrutti una fonte di energia differente.

L’analisi delle variazioni del paesaggio parte dalla definizione di una grandezza detta “emer-genza visiva”.

Questa permette di valutare la variazione locale dell’altezza media degli oggetti visibili,dal punto di stazione sul giro d’orizzonte di 360° compiuto in ciascuna delle direzioni dei 4settori cardinali e comprendenti l’impianto in progetto; il tutto tenendo presente gli sfondi,l’illuminazione e le condizioni meteorologiche prevalenti.

Il punto di stazione coincide con un luogo scenicamente, naturalisticamente o socialmenteimportante dal punto di vista dell’interesse da salvaguardare.

In questo modo e possibile valutare le modifiche tridimensionali provocate al paesaggiodall’inserimento di una centrale eolica cosı da minimizzarne l’impatto con opportune misureche non deteriorino la funzionalita dell’impianto ma ne migliorino la sostenibilita paesaggistica.

L’impatto territoriale da emissioni acustiche, chimiche ed occupazione territoriale combina-te, invece, e notevolmente minore rispetto a quello di altre fonti di energia rinnovabile e non.Gli aerogeneratori e le opere a supporto (cabine elettriche, strade) occupano solamente il 2 -3 % del territorio necessario per la costruzione dell’impianto stesso. Per cui nei parchi eolici,differentemente dalle centrali elettriche convenzionali e dalle grandi installazioni fotovoltaiche,la parte del territorio non occupata dalle macchine puo essere impiegata per l’agricoltura e lapastorizia senza grosse riduzioni di produttivita rispetto al territorio non occupato.


Esempi negativi di impatto ambientale/visivo

Da diversi studi sulla valutazione dell’impatto visivo degli impianti eolici si deduce che la mag-giore influenza sul paesaggio e dovuta in primo luogo al numero delle pale degli aerogeneratorie successivamente alle dimensioni delle macchine (altezza del traliccio e diametro del rotore).

Alcune raccomandazioni generali possono riguardare restrizioni sulla localizzazione, sul rag-gruppamento di turbine di forma simile, sull’interposizione di aree libere tra gruppi di turbineed infine sulla realizzazione di forme particolari in aree con paesaggi dai caratteri fortementeconnotati.

L’effetto “selva”, tipico di installazioni nordamericane, modifica la linea dell’orizzonte ren-dendo maggiormente avvertibile la presenza degli impianti.

Esempi positivi di impatto ambientale/visivo

L’obiettivo e cercare di realizzare impianti che sappiano interagire con il territorio in modo davalorizzarlo, innovandolo e rispettandolo allo stesso tempo.

La riduzione dell’impatto visivo ha a disposizione alcuni strumenti da sfruttare in faseprogettuale come forme, distanze, colori. Tuttavia le prescrizioni in tale ambito devono goderedi particolare elasticita.

In Italia il problema dell’impatto visivo degli impianti eolici viene affrontato da ogni singolaregione mediante le “Linee Guida Regionali”.

Esse introducono misure di mitigazione dell’impatto paesaggistico quali la disposizione pla-nimetrica e altimetrica degli aerogeneratori, il colore e la tipologia, le dimensioni e la densitadelle macchine, la velocita di rotazione della pale, le distanze (tra le macchine, dalle vie dicomunicazione e dai centri abitati), l’interramento della linea elettrica, il ripristino del suolo,l’inserimento in aree antropizzate.

2.5.2 Impatto acustico

Figura 2.2: Scala delle percezioni del rumore.

Il rumore che si sente in prossimita di uno o piu aerogeneratori ha due tipologie di sorgente:meccanica ed aerodinamica.


Le apparecchiature presenti all’interno della navicella generano del rumore, in particolareil moltiplicatore di giri ed il generatore elettrico. Si tratta, pero per lo piu di problematicheappartenenti al passato, quando si usavano tralicci per sostenere in quota le navicelle. Oggiper lo piu le navicelle vengono installate su torri tubolari e grazie all’utilizzo di basamenti esmorzatori elastici ed all’insonorizzazione della navicella e possibile diminuire notevolmente ilrumore e le vibrazioni trasmesse all’esterno. In ogni caso la navicella e posta ad una quotache oggi, in genere, va dai 50 agli 80 metri; cio comporta una riduzione del rumore dovuta alladistanza che intercorre tra le apparecchiature e il terreno.

Il rumore di origine aerodinamica e invece prodotto dall’interazione della vena fluida con lepale del rotore in movimento, dal vento che agisce sull’ambiente circostante e dalle vibrazionidelle superfici; e il rumore di fondo che si percepisce stando in una centrale eolica.

Ma esso viene molto smorzato dall’introduzione della velocita variabile che permette diridurre il numero di giri del rotore quando il vento e piu debole e consente velocita periferichedelle estremita delle pale piu contenute.

Mentre al crescere della velocita del vento, il rumore di fondo, generato dal vento stesso,prevale sul rumore aerodinamico indotto dalla turbina stessa.

Nella valutazione degli eventuali effetti del rumore, inoltre, e imprescindibile considerareanche la distanza dalle abitazioni e la loro posizione rispetto alle direzioni assunte dai ventidominanti.

2.5.3 Effetti su flora e fauna

Per quanto riguarda la flora, dalle esperienze maturate in paesi con elevata diffusione dell’eoliconon risulta alcun effetto misurabile, in condizioni di esercizio degli impianti e risulta esserelimitato alle fasi di cantiere, in cui gli sbancamenti necessari per realizzare le fondazioni degliaerogeneratori, le piazzole, le vie di collegamento e i tratti di cavidotto interrato (misura questanecessaria per mitigare l’impatto visivo) richiedono un intervento sulla superficie.

Riguardo alla fauna, invece, occorre distinguere l’interferenza con la fauna terrestre da quellacon l’avifauna.

Per quanto concerne l’interferenza con la fauna terrestre e dimostrato dall’esperienza che lapresenza di campi eolici non arreca disturbo ad animali domestici, greggi e mandrie. Nell’eve-nienza che sia presente fauna selvatica in prossimita del sito prescelto, sara necessario attuaredegli accorgimenti atti a mitigare l’eventuale influenza sugli animali, come ad esempio fare inmodo che le fasi di cantiere non coincidano con momenti particolari della vita degli animali(accoppiamento, gestazione o parto).

L’interferenza con l’avifauna stanziale e migratoria, invece, e uno dei temi piu controversie dibattuti ai fini del posizionamento delle centrali in zone ad elevato interesse naturalistico.In Italia, ad esempio, molte specie di uccelli protette o a rischio trovano rifugio stanziale ostagionale nella zona appenninica, interessata dallo sviluppo di turbine eoliche.

Sono soprattutto gli uccelli rapaci, i migratori ed i pipistrelli a poter subire effetti dovutialla presenza delle turbine: c’e infatti il rischio di collisione con le pale.

Non mancano studi approfonditi come quello fatto da Orloff-Flannery [7] (“Wind turbineeffects [...]” della BioSystems Analysis, Inc. ), condotto in California nelle contee di Alameda eContra Costa (Altamont Pass Wind Resource Area) nel biennio 1989–1991.

Questo studio ha preso in considerazione 1 120 aereogeneratori sui circa 7 000 presenti intutta la zona;

Durante il primo anno, il numero di corpi ritrovati e stato di 141 (113 sul sito e 28 inprossimita). Piu del 76,6% degli uccelli colpiti erano rapaci (108). Mentre durante il secondoanno, il numero di carcasse ritrovate e stato di 72 (69 sul sito e 3 in prossimita). Di questi irapaci costituivano il 59,7% degli uccelli colpiti (43). Le turbine e le linee elettriche ad esseassociate sono responsabili della morte del 74% degli uccelli ritrovati.


Le autrici stimano che durante il primo anno di studio i rapaci uccisi su tutto il sito,potrebbero essere piu di 300.

Ma cio che e piu interessante e che sembra esserci un certo livello di apprendimento siada parte dei volatili stanziali che di quelli migratori, cosa che sembra venga confermata daosservazioni fatte in Danimarca (che parlano di uccelli che deviano le rotte mantenendosi ad unadistanza di sicurezza dagli aerogeneratori), e da studi condotti in Spagna su circa 1 000 turbineche parlano di una sorta di “evoluzione adattativa” degli uccelli stessi alle mutate condizioniambientali, con una sensibile riduzione nel tempo del numero di esemplari danneggiati dallapresenza dei generatori. Ovviamente lo studio di Orloff-Flannery [7] risulta essere abbastanzadatato, e visto che si ritiene che il rischio di collisione diminuisca con il crescere della tagliadella turbina (che fa decrescere la velocita di rotazione del rotore) si ritiene che oggi ci sianomeno pericoli provenienti dalle turbine per l’avifauna rispetto agli anni ’90.

Tuttavia lo studio di Thelander et al. [8] (sempre della BioSystems Analysis, Inc. e semprerelativo ad Altamont Pass), in cui si riporta di 439 volatili morti nel biennio 1998-2000 di cui372 (87%) sicuramente dovuti alla collisione con le turbine, parzialmente smentisce le precedenticonclusioni.

Questi dati possono sembrare rilevanti: in realta, se confrontati con i danni prodotti da altrecentrali di produzione di energia da altre fonti convenzionali, mostrano che l’impatto dell’energiaeolica sull’avifauna e molto relativo.

Ad esempio, l’incidente della Exxon Valdez ha causato la morte di circa 50 000 uccellimigratori. Questo valore e molte volte superiore alle morti dovute alla collisione di avifaunaper tutte le turbine installate in California.

Invece un reale pericolo per l’avifauna puo essere il cambio climatico (che l’utilizzo dell’e-nergia eolica aiuta a contenere) che potrebbe generare cambi devastanti, tali da far mancare lasincronia tra i periodi migratori e quelli di massima produzione di cibo.

Inoltre si stima che piu di 10 000 uccelli migratori vengano uccisi ogni anno a Toronto trale ore 23.00 e 05.00 per collisioni con le finestre di grattacieli molto illuminati.7

In particolare Erickson et al. [9] arriva ai risultati tradotti nella tabella 2.1.

Tabella 2.1: Stime di mortalita aviaria annua riferita al territorio degli Stati UnitiCausa di morte Mortalita stimata Valore percentuale

Edifici 550 milioni 58,2%Linee elettriche 130 milioni 13,7%

Gatti 100 milioni 10,6%Automobili 80 milioni 8,5%

Pesticidi 67 milioni 7,1%Torri per telecomunicazioni 4,5 milioni 0,5%

Turbine eoliche 28 500 < 0.01%Aeroplani 25 000 < 0.01%

Altre cause(Fuoriuscite e perdite di petrolio, etc.) non calcolate non calcolate

Questo studio dimostra come la fonte eolica concorra solo in minima parte nell’impattosull’avifauna locale.

In definitiva, la valutazione dell’impatto ambientale relativo all’avifauna e da studiare inmodo approfondito caso per caso, in modo da consentire agli operatori e alle amministrazionilocali di capire le condizioni della specifica situazione.

7Fonte: http://www.flap.org

http://www.flap.org


2.5.4 Interferenze sulle telecomunicazioni ed effetti elettromagnetici

I disturbi elettromagnetici dovuti alla presenza di grandi rotori sono limitati alla zona appenacircostante il parco eolico e prevalentemente interferiscono con le onde radio.

Inoltre la navicella viene schermata e l’energia elettrica viene prodotta a tensioni rela-tivamente basse (minore di 1 000 V) e quindi esiste poca possibilita di generare disturbielettromagnetici nell’ambiente.

L’interferenza elettromagnetica causata dagli impianti eolici e molto ridotta in quanto nellamaggior parte dei casi per trasportare l’energia da essi prodotta si utilizzano linee di trasmissioneesistenti.

2.5.5 Emissioni evitate

L’utilizzo dell’energia eolica consente di evitare l’immissione nell’atmosfera delle sostanze in-quinanti e dei gas serra prodotti dalle centrali convenzionali.

Ogni kWh prodotto da una turbina eolica, potrebbe sostituire un kWh di elettricita altri-menti prodotto mediante l’utilizzo di combustibile fossile.

Il livello delle emissioni dipende, naturalmente, dal processo tecnologico utilizzato e daicontrolli eseguiti sui fumi di scarico.

Tuttavia e stato stimato che gli attuali processi producono principalmente:

� 860 g/kWh (3 096 kg/kJ) di CO2 (anidride carbonica)

� 10 g/kWh (36 kg/kJ) di SO2 (anidride solforosa)

� 3 g/kWh (10,8 kg/kJ) di NOX (ossidi di azoto)

Tra questi gas il piu rilevante e l’anidride carbonica, il cui progressivo aumento contribuisceall’effetto serra ed e causa di drammatici cambiamenti climatici.

La riduzione di emissioni prodotta dall’utilizzo di una fonte rinnovabile quale l’energia eolica,puo essere calcolata mediante le seguenti formule:

� CO2 = (P ⋅ 0,2 ⋅ 8766 ⋅ 860)/1000

� SO2 = (P ⋅ 0,2 ⋅ 8766 ⋅ 10)/1000

� NOX = (P ⋅ 0,2 ⋅ 8766 ⋅ 3)/1000

dove:

- P e la potenza nominale del generatore in kW;

- 0,2 e una costante che tiene conto dell’intermittente natura del vento e delle normaliperdite energetiche degli impianti eolici;

- 8 766 e il numero di ore presenti in un anno.

Alla luce di questo, una turbina di 1 kW contribuira alle seguenti riduzioni delle emissionisu base annua:

� 1507,75 kg di CO2

� 17,53 kg di SO2

� 5,26 kg di NOX


2.5.6 Interferenze locali

Quelle di cui abbiamo parlato fino ad ora sono le interferenze globali, riguardanti il mancatoinquinamento (ambientale, elettromagnetico, etc.) per produrre energia elettrica ma esistonoanche interferenze positive che agiscono a livello locale, dovute alla realizzazione e alla gestionedi una centrale eolica.

Ad esempio, per quanto riguarda i comuni che ospitano impianti all’interno dei loro terrenidemaniali, essi generalmente ottengono una remunerazione che il piu delle volte consente unaumento considerevole degli introiti del comune stesso.

Lo sviluppo di questa tecnologia porta un aumento dei posti di lavoro nell’industria eolica chedeve produrre ed installare molte piu macchine; a volte esiste un turismo indotto dalla presenzadegli impianti che enfatizza il mercato turistico dell’agriturismo; viene data la possibilita diavvicinare la gente alle fonti rinnovabili di energia per permettere la nascita di una maggiorconsapevolezza nei problemi energetici e un maggior rispetto per la natura.

Capitolo 3

Sistemi di conversionedell’energia eolica

3.1 Variazioni periodiche della velocita del vento

Da un punto di vista regionale l’energia inviata dal sole alle terre emerse, permette ai continentidi riscaldarsi piu rapidamente dei mari e degli oceani circostanti e questo e dovuto alla minoreinerzia termica delle terre rispetto ai mari, dovuta essenzialmente al fatto che uno strato minoredi terreno viene coinvolto in questo ciclo a differenza dello spessore delle acque degli oceanicoinvolti e al differente coefficiente di scambio termico. La differenza di temperatura che si creatra l’aria sopra le terre emerse, che si riscalda di giorno piu velocemente, e l’aria sopra gli oceaniche rimane fredda ed umida, genera una differenza di pressione, la quale e piu alta sui mari epiu bassa sulla terraferma. Da questa differenza di pressione ha origine il vento.

La rotazione terrestre deforma i movimenti delle masse d’aria che vanno a colmare la dif-ferenza di pressione suddetta, generando i cicloni dove si verifica il moto ascensionale di ariacalda ed anticicloni dove esiste aria fredda e umida.

A questo movimento globale, si accompagnano caratteristiche locali piuttosto peculiari, lequali creano un microclima che differisce non poco dalla situazione generale della regione presain esame.

I fenomeni che governano i regimi locali sono esattamente come quelli che generano i mo-vimenti globali delle masse d’aria, e possono essere enfatizzati dall’orografia del territorio e daspecifici fattori da studiare di volta in volta.

E necessario quindi portare avanti uno studio anemologico dei siti interessanti per l’installa-zione di centrali eoliche e che venga condotto direttamente sul luogo con osservazioni accurateche durano normalmente piu di un anno.

Il vento puo essere misurato in modo empirico con la scala Beaufort, che suddivide la forzadel vento in 12 gradi e ne stabilisce l’entita osservando i suoi effetti sull’ambiente circostante.

Inoltre, il vento puo essere misurato in modo meno soggettivo e piu specifico, misurando lavelocita attraverso l’uso di un anemometro.

La misura della velocita del vento e molto importante, perche l’energia che se ne puo estrarredipende dal cubo della velocita stessa

La minima variazione della velocita del vento influisce sulla quantita dell’energia che siottiene

20 Sistemi di conversione dell’energia eolica

3.1.1 Dipendenza dalla quota

La campagna anemologica e tesa all’analisi delle caratteristiche dei venti che spazzano unapossibile zona di produzione di energia da fonte eolica.

Lo strumento che serve per ottenere dati attendibili sono le torri anemometriche, strutturea traliccio con sezione triangolare, montanti in tubo e diagonali e traverse in tondo d’acciaio.

Le torri anemometriche vengono utilizzate per le verifiche sul campo relative alla fattibilitadi campi eolici di grande potenza. Le strutture sono completate da una serie di stralli in funed’acciaio ancorati al terreno in piu punti. I profili d’acciaio sono zincati a caldo.Le torri possono essere montate con altezze variabili fra 40 m e 80 m consentendo di installareinizialmente una parte della struttura ed in un secondo tempo la soprelevazione garantendo cosıla massima flessibilita di impiego.In sommita viene montata un’asta per il supporto di parafulmini ed alla base della torre sonopredisposti gli opportuni sistemi di messa a terra. A richiesta e possibile dotare le torri disistema SOV (Segnalazione di Ostacolo al Volo a bassa quota) notturno con luce rossa fissaalimentato da pannelli fotovoltaici.Le torri sono in moduli di 3 metri dal peso contenuto, che possono essere sollevati e montati insequenza utilizzando un accessorio di sollevamento fissato direttamente alla torre. Il modulo dibase e dotato di una cerniera sferica che appoggia sulla piastra di base a contatto con il terreno.Gli stralli vengono fissati al suolo con sistemi di ancoraggio che variano in funzione del tipo diterreno e possono essere costituiti da ancorette a perdere da infiggere nel terreno o da zavorree picchetti in tubo d’acciaio.Le strutture sono in grado di resistere a venti fino a 160 km/h.

La torre anemometrica permette di registrare l’intensita del vento e la sua direzione sia incima che ad altezze intermedie. E cosı possibile determinare il profilo di velocita al variare dellaquota.

Spesso vengono utilizzate torri da 10 metri se le zone da monitorare sono di difficile accesso(siti montani nell’Appennino centrale e meridionale) e sono caratterizzati da una lunghezzadi rugosita particolarmente bassa. Per ottenere risultati migliori, e comunque indispensabileadottare torri alte tra i 30 e 50 metri con anemometri a due o tre altezze.

Inoltre, alcune delle torri rimangono nel sito anche dopo la realizzazione dei parchi eolicicome strumento di monitoraggio delle prestazioni degli aerogeneratori.Oltre alle torri si utilizzano banderuole per effettuare rilevazioni sulle direzioni dei venti e sensoridi temperatura, che servono per identificare le condizioni con potenziale formazione di ghiaccioe conseguente alterazione delle misure.

I sensori trasmettono un messaggio a un data-logger che li trasforma in grandezze fisichee calcola valori statistici dei segnali da memorizzare. I dati statistici comprendono di soli-to velocita media, velocita massima, deviazione standard della velocita, media di direzione etemperatura.

E possibile calcolare la resa energetica della zona grazie a programmi in grado di correggerele rilevazioni anemometriche eseguite in loco mediante dei set di modelli numerici predefiniti,con i quali si puo stabilire il regime della ventosita locale intorno alla stazione anemometricacon una certa affidabilita. Questi modelli sono utili per determinare la resa di un parco eoliconel momento in cui si suppone di inserire nel contesto una serie di turbine le cui caratteristichesiano ben note e implementabili.

I risultati sono utilissimi per capire quale sia la configurazione ottimale che potrebbe avere lafattoria eolica per produrre piu energia, oppure quanto influisca una variazione nella disposizionedelle macchine sulla resa annuale dell’impianto.

3.1 Variazioni periodiche della velocita del vento 21

3.1.2 Effetti dei rilievi e scelta del sito

L’individuazione delle aree di maggior interesse per l’installazione di centrali eoliche ha inizioda un macrositing (analisi preliminare del territorio in esame). L’estensione del territorio puoessere pari a quello di una o piu province, ossia dove ragionevolmente si troveranno zone amaggior ventosita.

Il macrositing consiste nell’analisi di una carta topografica digitale sulla quale vengonoinseriti i dati anemologici a grande scala rilevati dal servizio meteorologico nazionale.

Obiettivo finale e quello di individuare delle linee di isoventosita (linee che collegano punticon eguale ventosita) che permettano l’individuazione di siti maggiormente ventosi all’internodel territorio preso in esame.

Gia nella fase preliminare del progetto, quella che prevede lo studio dei siti piu promettenti,si dovrebbe avviare una consultazione con gli enti locali, volta a valutare se esistano o menoresistenze a realizzazioni di tali impianti da parte della popolazione locale. Aspetto da nonsottovalutare, anche perche se esistono tali resistenze sarebbe opportuno continuare a cercaresiti migliori dove poter installare queste centrali.

Successivamente e necessario portare avanti un altro screening teso alla valutazione delleinfrastrutture. Gli aspetti da tenere in maggiore considerazione in fase preventiva sono lecaratteristiche di viabilita ed accessibilita, con lo studio di eventuali modifiche che permettanoun accesso migliore al sito da parte dei trasporti piu impegnativi da un punto di vista dei pesi edelle dimensioni, cosı come la sufficiente vicinanza alla rete elettrica di MT (media tensione) omeglio ancora di AT (alta tensione), con studio su eventuali situazioni critiche di sovraccarico.

In questa seconda fase lo studio dell’anemologia specifica dei luoghi, lo studio dell’impattoambientale e paesaggistico e lo studio della realizzazione dell’impianto (distanza dagli elettro-dotti, viabilita stradale che possa permettere l’ingresso di trasporti lunghissimi, ecc.) devonoessere portati avanti parallelamente, permettendo di ottenere, in un periodo di tempo ragio-nevole, un quadro tecnico della situazione che permetta di capire se e possibile installare unacentrale eolica e di quale entita sara la sua resa.

Lo studio della viabilita e dell’accessibilita al sito prescelto e di primaria importanza, inquanto non e possibile costruire nuove vie d’accesso e talvolta l’adeguamento delle vie esistentipotrebbe risultare troppo oneroso, anche se spesso, in particolare nelle zone montane, si rea-lizzano percorsi non asfaltati che possono essere riutilizzati dalla viabilita rurale locale, oppureriassorbiti dall’ambiente stesso.

Attualmente in Italia le turbine eoliche di maggior diffusione appartengono ai modelli conpotenze da 600 a 850 kW, che vantano diametri da 44 a 55 metri, con torri tubolari divise intronconi molto lunghi. Da questo deriva il fatto che occorre organizzare trasporti eccezionaliper l’invio di tali componenti in loco.

Altro aspetto da non sottovalutare e l’allaccio alla rete di trasmissione di energia nazionale.Spesso le zone di interesse per la realizzazione di centrali eoliche sono zone rurali lontane daigrandi centri abitati e dipendenti dall’esterno per la fornitura di energia elettrica poiche non vie nelle vicinanze produzione di energia ne da fonte rinnovabile ne da fonte tradizionale.

Ne consegue che la rete a MT (15 – 20 kV) e stata pensata per essere una rete passiva, ossiauna rete di distribuzione di energia elettrica senza la presenza di un generatore nella zona. Sitratta di un aspetto piuttosto importante, in quanto i parchi eolici hanno spesso delle potenzesignificative. Occorre, percio uno studio sul comportamento della rete elettrica locale soggettaall’esportazione dell’energia.

Le centrali che hanno una potenza superiore a 10 MW sono normalmente collegate ad unarete di trasmissione tra 60 e 150 kV. Oltre alla maggiore capacita di esportazione di energia,una tale rete e caratterizzata da maggiore stabilita e, in modo particolare, da una minorefrequenza di interruzioni. E possibile riscontrare centinaia di interruzioni annue su una reteMT mentre quelle di una linea AT sono dell’ordine di 10 all’anno. Questo e un aspetto da


non sottovalutare perche gli aerogeneratori si fermano dopo ogni interruzione con conseguenteperdita di produzione e notevole sollecitazione strutturale della turbina stessa.

Durante lo sviluppo del progetto si deve valutare la compatibilita della centrale eolica con larete elettrica in questione e in modo specifico con il punto di interconnessione. Tale studio deveesaminare eventuali variazioni indesiderate della tensione e della frequenza dell’energia elettricadovute dalla presenza della centrale eolica.

Un effetto determinante sul flusso del vento e quello derivante dal tipo di copertura del terre-no sul territorio, fattore che, oltre a condizionare la possibilita fisica di installare aerogeneratori,influenza in modo considerevole l’andamento della velocita nello strato limite superficiale.

Se prendiamo in esame il caso piu semplice, quello di un terreno piatto, si osserva che lavelocita del vento aumenta in generale con l’altezza con un tasso di crescita che dipende dalgrado di scabrosita del suolo. Le caratteristiche del terreno vengono rappresentate col parametroz0 [m], detto “lunghezza di rugosita”.

Il valore della lunghezza di rugosita per una determinata superficie di territorio vienenormalmente calcolato in base all’applicazione della seguente legge logaritmica, descritta daPirazzi et al.[10]:

V (z) = u∗k⋅ log ( z

z0) con ∶ z >> z0

dove:

� u∗ e la velocita d’attrito, costante nello strato limite superficiale;

� k e la costante di von Karman (pari a 0,4);

� z e l’altezza dal suolo.

La lunghezza di rugosita riassume in se l’informazione essenziale nell’ambito della teoria chedescrive la crescita della velocita con l’altezza.

Cosı ad esempio, un’area urbana sara caratterizzata da un valore di circa 1 m, una prateriacon erba bassa e qualche cespuglio da un valore di circa 0,03 m, una superficie innevata lisciada un valore di circa 0,0005 m.

Attraverso questa legge, valida in condizioni di atmosfera stabile (ipotesi accettata in condi-zioni di vento piuttosto sostenuto) si puo osservare come a parita di vento in quota la velocitadel vento ad alcune decine di metri dal suolo vari sensibilmente al di sopra di aeree di diversarugosita, e sia in particolare maggiore al di sopra dei terreni piu lisci.

Un altro effetto determinante, e piuttosto importante in particolar modo in Italia, e quellodei rilievi montuosi.

Il vento subisce un’accelerazione sulle sommita di creste montuose o collinari, effetto che sicombina con l’aumento della velocita dovuto all’altezza.

Questo aspetto va ad incidere sul profilo della velocita del vento, che risulta, in tal modo,alterato rispetto alla legge logaritmica indicata in precedenza.Il complesso quadro anemologico generato dalla suddetta fenomenologia e stato oggetto di studiofn dalle prime iniziative di sfruttamento energetico del vento in Italia.

La presenza di un territorio ad orografia particolarmente complessa ha reso questo lavoroparticolarmente impegnativo rispetto ai paesi piu pianeggianti. L’obiettivo, concretizzatosicon la preparazione di un Atlante eolico, e stato portato avanti cercando di rappresentare lecaratteristiche interessanti a fini dello sfruttamento energetico, la velocita media annua delvento e la producibilita di energia, nei diversi punti del territorio.

In conclusione, l’accertamento dell’idoneita di un sito nell’ospitare un impianto di produzionedell’energia da fonte eolica richiedera la verifica dell’esistenza di un certo numero di condizioni,come:

3.2 Energia disponibile dal vento e legge di Betz 23

� adeguata ventosita, definita da opportuni parametri statistici, ottenuti elaborando datianemometrici (tipicamente velocita e direzione del vento) che vanno riferiti ad un periododi tempo statisticamente significativo e ad un’altezza dal suolo tale da rendere attendibileil loro riporto al livello del mozzo degli aerogeneratori;

� disponibilita di un terreno che abbia un area adeguata ad ospitare un numero sufficiente diaerogeneratori e che sia libero da vincoli ambientali e d’uso che ne impediscano l’impiego;

� andamento di velocita e direzione del vento sufficientemente omogeneo sull’area di interes-se, sia sul piano orizzontale che per quanto riguarda l’andamento della velocita del ventocon l’altezza rispetto al terreno;

� terreno privo d’irregolarita e ostacoli tali da creare, da un lato, un’eccessiva turbolenzadel vento (nociva in particolare per la produzione stessa di energia) e, dall’altro lato,problemi tecnici e costi troppo gravosi per l’installazione degli aerogeneratori e degli altricomponenti dell’impianto;

� assenza di insediamenti abitativi nelle immediate vicinanze;

� esistenza di un sistema viario di collegamento alla rete stradale che consenta un agevoletrasporto e montaggio in sito dei componenti dell’impianto;

� presenza di una rete elettrica, in grado di assorbire l’energia prodotta dall’impianto eolicosenza richiedere la costruzione di ulteriori linee di collegamento.

Partendo dallo stadio in cui si dispone solo di una stima approssimativa della ventositadell’area, il progettista individuera i siti che offrono una idonea risorsa eolica usando datianemologici qualificati, tenendo in considerazione che le aree piu promettenti sono quelle conuna velocita media al mozzo superiore a 6 m/s. Nella scelta del luogo un criterio da tenere inconsiderazione e quello di mirare a punti ubicati sulla cresta di rilievi collinare o montani, dovee possibile attendersi un accelerazione della vena fluida.

Quando tuttavia i rilievi hanno una conformazione non regolare e piuttosto varia, come av-viene nella realta delle aree montane e collinari. Ogni situazione diventa un caso a se. Tuttavia,la ricerca del sito perfetto deve essere guidata da regole generali.

Una delle piu importanti e quella di preferire punti non molto prossimi a rilievi con unapendenza eccessiva, per evitare effetti di turbolenza che possano essere dannosi per la regolareattivita degli stessi aerogeneratori.

3.2 Energia disponibile dal vento e legge di Betz

La legge di Betz riflette una teoria per le macchine a fluido sviluppata da Albert Betz.Essa mostra la massima energia possibile, nota come limite di Betz, che si potrebbe

ricavare tramite un rotore infinitamente sottile da un fluido che scorre ad una certa velocita.Secondo la teoria di Betz, una turbina eolica ideale rallenta il vento di un fattore 2/3 rispetto

alla velocita a monte della turbina, riuscendo a convertire meno di 16/27 dell’energia cineticadel vento in energia meccanica usando una turbina eolica.

Le ipotesi alla base della teoria di Betz sono le seguenti:

� Concetto di tubo di flusso: il tubo di corrente che attraversa il disco attuatore noninteragisce con la restante porzione di fluido che lo circonda.


� In ogni sezione del tubo di flusso sussiste una distribuzione di velocita permanente, uni-forme e monodimensionale lungo l’asse. Il rallentamento di vena sul disco attuatore edistribuito uniformemente sulla sezione del disco.

� Nelle sezioni infinitamente a monte e a valle si puo ipotizzare una situazione fluidodina-mica indisturbata dalla presenza della macchina, ovvero la pressione e uguale a quellaatmosferica dell’ambiente esterno, proprio come nella condizione di getto libero.

� Il flusso eolico non incontra ostacoli oltre la turbina, ne sopravvento ne sottovento.

� Il vento e stazionario e di intensita costante con la quota.

� Non ci sono effetti di rotazione della vena a causa dell’“estrazione” di quantita di moto.

� Si trascura la comprimibilita dell’aria, cioe la densita e ritenuta costante.

Quella di Betz dunque e una teoria che richiede molte approssimazioni, ed alcune di essesono suscettibili di introdurre errori piuttosto importanti, in particolare l’ipotesi di assenza dirotazione della vena fluida a valle del rotore.

Il superamento di questa ipotesi esemplificativa costituisce, in linea di massima, il miglio-ramento apportato dalla gia citata teoria di Glauert (che verra successivamente utilizzata inquesto lavoro) ed in particolare essa arriva alla conclusione che il limite di Betz e solo un asin-toto, al quale tende il rendimento aerodinamico di un rotore ideale (con pale infinite e profiliaerodinamici a resistenza nulla) quando, come si vedra in seguito, il suo rapporto di velocitaalla punta della pala e sufficientemente grande (maggiore di 10).

Da cio perviene la bassa densita energetica dell’energia eolica per unita di superficie, checomporta la necessita di procedere all’installazione di piu macchine, nel caso si voglia produrrequantita rilevanti di energia elettrica, per lo sfruttamento ottimale della risorsa disponibile. Nelcaso piu generale lo sfruttamento del vento si effettua tramite la centrale eolica, costituita dalraggruppamento di piu generatori disposti in modo diversificato sul territorio e collegati ad unalinea elettrica che li raccorda alla rete locale o nazionale.

3.3 Classificazione degli aerogeneratori

Gli impianti eolici possono essere suddivisi in base alle loro applicazioni:

� produzione e vendita di energia elettrica - si realizza con aerogeneratori di potenza com-presa tra 500-3000 kW collegati singolarmente o in piu unita (centrali eoliche) alla reteelettrica di media-alta tensione; - lo sfruttamento della risorsa ha luogo in genere in am-biente terrestre, ma sta assumendo un ruolo sempre piu rilevante la tecnologia offshoreche prevede l’installazione delle macchine in ambiente marino;

� produzione di energia elettrica per utenze isolate o allacciate alla rete elettrica di bassatensione - si effettua con aerogeneratori generalmente singoli e di piccola taglia ( 100 kW).La generazione di elettricita puo essere abbinata, nei sistemi ibridi, ad altre fonti di energiaquali mini idraulica, fotovoltaico e convenzionale (diesel). Il mercato di questa tipologiadi macchine e in continua espansione in particolar modo nei paesi in via di sviluppo.

Le macchine eoliche a loro volta, possono essere classificabili in diverse maniere:

� in funzione dell’energia sfruttata:

3.3 Classificazione degli aerogeneratori 25

– aeromotori: effettuano la trasformazione dell’energia meccanica del vento in ener-gia meccanica dell’asse di rotazione e tramite una catena puramente cinematicamovimentano materiali (aeropompe), macinano e frantumano materiali (mulini) eazionano macchine operatrici;

– aerogeneratori: effettuano la conversione dell’energia del vento in energia elettricacontinua o alternata; possono essere distinti in macchine ad asse orizzontale o ver-ticale; possono essere isolati o in gruppo e ancora essere collegati ad utenze isolate,piccole reti locali (in genere in sistema integrato con motori diesel) o alle reti regionalie nazionali;

� in funzione della posizione dell’asse di rotazione

– ad asse orizzontale HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine);

* ad asse esattamente orizzontale;

* ad asse inclinato sull’orizzontale (esiste il solo rotore Poulsen);

– ad asse verticale VAWT (Vertical Axis Wind Turbine)

* rotori Darrieus;

* rotori Savonius;

* rotori Giromill;

* macchine del tipo ad ala battente e a tapis roulant;

� in funzione della potenza:

– di piccola taglia (rotore con ∅ < 20 m e potenza < 100 kW);

– di media taglia (rotore con ∅ 20 – 50 m e potenza 100 – 800 kW)

– di taglia intermedia (rotore con ∅ 50 m, o poco piu, e 800 – 1 000 kW);

– di grande taglia (rotore con ∅ > 50 m e potenza > 1 MW con esempi di macchineda 3 MW);

� in funzione della solidita e velocita del rotore:

– lento ad elevata solidita (multipala o mulino americano);

– veloce a bassa solidita (da 1 a 3-4 pale con profili aerodinamici);

� in funzione della regolazione di potenza:

– controllo dell’orientazione rispetto alla direzione del vento;

– controllo dell’orientazione e del calettamento delle pale.

Gli aerogeneratori eolici sono, come abbiamo visto, divisibili in due gruppi distinti in funzionedel modulo base adoperato definito appunto generatore eolico:

� generatori eolici ad asse verticale, indipendenti dalla direzione di provenienza del vento;

� generatori eolici ad asse orizzontale, in cui il rotore va orientato perpendicolarmente alladirezione di provenienza del vento


I primi generatori usati nelle macchine eoliche erano dei motori elettrici convenzionali chevenivano usati come generatori normalmente collegati alla rete. Uno dei principali svantaggiera rappresentato dalla curva di rendimento che aveva generalmente un massimo piuttosto pro-nunciato in corrispondenza della potenza nominale del motore. Quando la turbina funzionavaa potenze diverse da quella nominale il rendimento crollava a valori molto piu bassi incidendonegativamente sulla resa energetica complessiva.

I generatori eolici a partire dal 1985 hanno migliorato drasticamente il rendimento, le di-mensioni e costi. Tali generatori sono riusciti a passare da una produzione di pochi kW dipotenza a punte di 3 MW per i piu efficienti e una produzione tipica del mercato di 1,5 MW,con una velocita del vento minima di 3-4 m/s.

Un generatore sia ad asse verticale che orizzontale richiede una velocita minima del vento(cut-in) di 3-5 m/s ed eroga la potenza di progetto ad una velocita del vento di 12-14 m/s.Ad elevate velocita (20-25 m/s, velocita di cut-off ) l’aerogeneratore viene bloccato dal sistemafrenante per ragioni di sicurezza. Il bloccaggio puo avvenire con freni che bloccano il rotoreo con metodi che si basano sul sistema della messa im bandiera del rotore e “nascondono lepale al vento” o con sistemi che agiscono sul calettamento delle pale fino a metterne in stallo ilprofilo aerodinamico, oppure una combinazione di tutti e tre.

Esistono anche generatori a pale mobili che adattano il calettamento in maniera continua trala parte alta e quella bassa dell’area spazzata limitando cosı le variazioni di momento flettentesulle pale e quindi l’entita del ciclo di fatica e permettendo l’adozione di pale piu leggere, e adoppia elica controrotante, anche per raddoppiare la potenza elettrica prodotta. I generatorieolici possono essere silenziosi; il problema principale e la dimensione delle pale che impattanegativamente sul paesaggio.

Le velocita di rotazione dell’aerogeneratore sono molto variabili, come lo e la velocita delvento; ma la frequenza di rete deve essere costante a 50 hertz, percio lo standard danese chesi e andato diffondendo sempre piu per la sua facilita di regolazione, impone che essi sianodotati di generatori asincroni, i quali hanno si una velocita di rotazione del campo magneticodeterminata dal tipo di rete alla quale sono connessi, ma generano potenza elettrica attiva solose spinti di poco al di sopra di questa velocita di rotazione, eliminando la necessita di regolarela sincronizzazione con la rete e con l’unico onere di rifasare la potenza elettrica prodotta.

La cinematica del generatore eolico e caratterizzata da bassi attriti, assenza di surriscal-damento e di un sistema di refrigeranti (olio ed acqua) e un costo di manutenzione moltobasso.

I principali produttori mondiali di aerogeneratori sono aziende tedesche, danesi e spagnole:Vestas, Enercon, Siemens, Gamesa Eolica, GE Wind, Nordex, NedWind, Enron Wind. Sonocirca 26 le aziende che producono gli aerogeneratori.

Un generatore eolico ad asse orizzontale (HAWT, in inglese Horizontal Axis Wind Turbines)e formato da una torre in acciaio di altezze tra i 60 e i 100 metri sulla cui sommita si trova uninvolucro (gondola) che contiene un generatore elettrico azionato da un rotore a pale lunghecirca 20 metri (solitamente 2 o 3). Esso genera una potenza molto variabile, tipicamente 600chilowatt, che equivale al fabbisogno elettrico giornaliero di 500 famiglie o di 1000 case.

Gli aerogeneratori tradizionali hanno, quasi senza eccezioni, l’asse di rotazione orizzontale.Questa caratteristica e il limite principale alla realizzazione di macchine molto piu grandi diquelle attualmente prodotte: i requisiti statici e dinamici che bisogna rispettare non consentonodi ipotizzare rotori con diametri molto superiori a 100 metri e altezze di torre maggiori di180 metri. Queste dimensioni riguardano macchine per esclusiva installazione off-shore. Lemacchine on-shore piu grandi hanno diametri di rotore di 70 metri e altezze di torre di 130metri. In una macchina cosı costruita il raggio della base supera i 20 metri. La velocita delvento cresce con la distanza dal suolo; questa e la principale ragione per la quale i costruttoridi aerogeneratori tradizionali spingono le torri a quote cosı elevate. La crescita dell’altezza,insieme al diametro del rotore che essa rende possibile, sono la causa delle complicazioni statiche

3.4 Aerogeneratore ad asse verticale (VAWT) 27

dell’intera macchina, che impone fondazioni complesse e costose e strategie sofisticate di “messain bandiera” in caso di improvvise raffiche di vento troppo forte.

3.4 Aerogeneratore ad asse verticale (VAWT)

Un generatore eolico ad asse verticale (VAWT, in inglese Vertical Axis Wind Turbines) e un tipodi macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantita di parti mobili nella sua struttura,il che le conferisce un’alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la possibilita di sfruttarequalsiasi direzione del vento senza doversi riorientare continuamente.

E una macchina molto versatile, adatta all’uso domestico come alla produzione centraliz-zata di energia elettrica nell’ordine dei MW (una sola turbina soddisfa il fabbisogno elettricomediamente di circa 1 000 case)

Grandi macchine eoliche ad asse verticale sono state concepite e realizzate fin dal 1920. Lasostanziale minore efficienza rispetto a quelle con asse orizzontale (-30%), oltre che gli alti costidi costruzione di una macchina multi-MW, ne ha di fatto confinato l’impiego nei laboratori,anche se non mancano voci di dissenso, che invece auspicano che venga incrementata la ricercain questo campo.

Si e cercato di ottimizzare molto queste macchine, rendendole molto competitive; gli ultimiprototipi, funzionando in molte piu ore l’anno rispetto a quelle ad asse orizzontale ed hanno unrendimento complessivo maggiore rispetto al passato.

Ma l’unica installazione industriale oggi esistente e quella di Altamont Pass in California,realizzata dalla FloWind nel 1997, la stessa che e stata oggetto degli studi di Orloff-Flannery [7]e di Thelander et al. [8]. L’installazione e in fase di smantellamento, a causa delle difficoltaeconomiche del costruttore, che e in bancarotta.

Non bisogna dimenticare, infatti, che il parametro decisivo che guida la scelta di un sistemarispetto ad un’altro e il tempo di ritorno dell’investimento, e dato che per tutte le macchineeoliche il “combustibile” e gratuito, il rendimento intrinseco della macchina non influisce semprepositivamente sui costi di produzione e di esercizio della stessa.

La turbina a vento di Savonius e un tipo di turbina a vento ad asse verticale, utilizzataper la conversione dell’energia del vento in coppia su di un albero rotante (principalmente permuovere pompe idrauliche). Inventata dall’ingegnere finlandese Sigurd J. Savonius nel 1922 ebrevettata nel 1929, e una delle turbine piu semplici.

Esiste in Italia un progetto che consiste in una centrale eolica ad asse di rotazione verticale.Si tratta del Kite Wind Generator o Kitegen. Questo elimina i problemi statici e dinamiciche impediscono l’aumento della potenza (e delle dimensioni) ottenibile dagli aerogeneratoritradizionali. Il problema di “catturare” il vento e risolto dall’idea di impiegare profili alaridi potenza (Power Kites) solidali al perimetro della turbina. I profili alari di potenza volanosecondo traiettorie prestabilite, che permettono di trasformare la forza esercitata sui cavi in unacoppia complessiva concorde che mette in rotazione le braccia di una giostra ad asse verticale.In pratica, i profili alari di potenza sono le pale della turbina, che le consentono di ruotareintorno ad un asse verticale, semplificando enormemente i problemi di fondazione e di rigidezza.Nell’agosto 2006 e stato costruito un primo prototipo dal nome Mobilegen.

Capitolo 4

Il modello ITDG IT-100

4.1 Descrizione tecnica e metodologia di progetto

Il progetto IT-100 dell’Integrate Technology Development Group (ITDG) consiste in un genera-tore elettrico a magneti permanenti (in ferrite o neodimio), di circa 150 W di potenza nominale,la cui costruzione e descritta in Piggot [1], pensato per essere costruito in loco (con utilizzo dimanodopera il piu possibile locale) dalle Organizzazioni Non Governative interessate allo svi-luppo sostenibile dei Paesi in cui operano, con attrezzature a basso costo ed in modo da ridurreil piu possibile il costo del prodotto finito pur non prevedendo grossi volumi di produzione. Ilgeneratore finito, poi puo avere i piu svariati utilizzi tra cui, dotato di pale con profilo aerodi-namico e montato su di un sostegno con protezione per raffiche di vento forte, appositamentestudiato, puo funzionare da generatore eolico ad asse orizzontale, di bassa potenza. Lo scopo diquesto lavoro e quello di dimensionare le pale ed il sistema di protezione dell’aerogeneratore conopportune approssimazioni volte a renderne piu semplice la costruzione, per poi arrivare allapredeterminazione teorica delle caratteristiche aerodinamiche descritte dalle curve di potenzae di spinta assiale in funzione della velocita adimensionale λ = (u/v) (u = velocita perifericadella punta della pala e v = velocita del vento) ed arrivare infine all’indicazione della curva dipotenza in funzione della velocita del vento propria dell’aerogeneratore. A questo scopo sonostate seguite le indicazioni di Le Gourieres [3] per l’aerodinamica del rotore e la spiegazionedella teoria di Glauert, ed e stato utilizzato il programma Xfoil di Drela [11] per la determina-zione delle curve di variazione dei coefficienti di portanza e resistenza in funzione dell’angolo dicalettamento, tramite simulazione numerica dei profili aerodinamici bidimensionali investiti dauna corrente d’aria.

4.2 Descrizione del generatore elettrico

Il generatore elettrico e del tipo, poco convenzionale, a direzione del flusso magnetico parallelaall’asse di rotazione, costituito da 6 bobine sullo statore sottoposte al campo magnetico creatoda 8 coppie di magneti permanenti disposte sul rotore in modo che i magneti di ciascuna coppiavengano a trovarsi uno davanti e l’altro dietro lo statore, come mostrato nello schema di figura4.1 tratto da Piggot [1].

Le bobine sono tenute in sede affogandole in una colata di resina di poliestere e polveredi talco rinforzata con fibra di vetro, che costituisce lo statore finito, e disposte secondo laconfigurazione mostrata in figura 4.2.

30 Il modello ITDG IT-100

Figura 4.1: Vista esplosa del generatore a magneti permanenti

Figura 4.2: Disposizione delle bobine nello statore

4.2 Descrizione del generatore elettrico 31

Il prodotto finito ha un peso di 25 kg, dei quali 10 kg sono costituiti dai magneti del rotore,i quali hanno un costo approssimativo di 325 $, nel caso dei magneti di neodimio, e si presentacon l’aspetto in figura 4.3:

68115

Ø19

Ø25

Ø323

Ø8

6

Ø273

Figura 4.3: Vista esterna del generatore, misure in mm

Le tre serie da tre fori ciascuna, servono per il fissaggio delle pale e dell’eventuale conofrontale, mentre dal tubo posteriore, che serve anche per il fissaggio sul supporto, fuoriescono itre cavi elettrici utilizzati per la trasmissione della corrente trifasica di uscita eventualmente daraddrizzare facendo uso di due ponti raddrizzatori o di sei diodi. Generalmente le bobine sonoconnesse in tre serie da due, connesse a loro volta a triangolo ed in questa configurazione, ilgeneratore ha dimostrato, nelle prove di laboratorio, le potenzialita espresse dalle tabelle 4.1 e4.2, la prima relativa al sistema con magneti permanenti in ferrite e la seconda relativa a quellocon magneti al neodimio NdFeB.


Tabella 4.1: Generatore con magneti in ferrite, prova con un carico di 105 W a diverse velocitadi rotazione ω (η: rendimento elettrico complessivo)

ω [rpm] Pot ac [W] Pot dc [W] η % ac η % dc I dc [A] V dc [V] I ac [A] V ac [V]275 23,6 20,22 43,58 37,34 5,68 3,56 3,41 4370,3 43,29 40,88 46,54 43,95 7,3 5,6 4,55 5,5457,3 69,63 64,22 48,9 45,1 8,45 7,6 5,75 7513 86,1 80,96 49,82 46,84 9,2 8,8 6,3 7,9631,7 124 115,58 51,57 48,07 10,32 11,2 7,24 9,9724,8 156,88 148,62 52,61 49,84 11,2 13,27 7,92 11,45821 196,49 187,79 53,62 51,25 12,25 15,33 8,67 13,1910,8 233,89 225,98 54,35 52,51 13,1 17,25 9,26 14,6

Tabella 4.2: Generatore con magneti in NdFeB, prova con un carico di 105 W a diverse velocitadi rotazione ω (η: rendimento elettrico complessivo)

ω [rpm] Pot ac [W] Pot dc [W] η % ac η % dc I dc [A] V dc [V] I ac [A] V ac [V]121,8 22,76 22,5 51 50 5 4,5 3,06 4,3182 54,67 55,89 60 61 6,9 8,1 4 7,9231,3 94,62 93,79 63 62 8,3 11,3 5,31 10,3274 133,28 127,4 64 61 9,1 14 6,42 12324 190,9 184,8 66 64 10,5 17,6 7,61 14,5362 212,01 204,37 65 63 10,7 19,1 8,17 15414 267,36 260,78 65 63 11,8 22,1 9,31 16,6

4.3 Progetto dell’aeromotore

4.3.1 Determinazione del regime di funzionamento nominale

Secondo la teoria di Betz, la potenza generata da una turbina eolica e:

P = 1

2Cp ρ π r

2 v3 (4.1)

con Cp = 16/27 (limite di Betz) per un aeromotore ideale in regime di massima captazione, cioequando la componente della velocita parallela all’asse del flusso d’aria in uscita dalla turbina e1/3 di quella del flusso d’aria in entrata.

La teoria dei vortici di Glauert, molto ben spiegata da Le Gourieres [3], poi dimostra chequesto limite non e costante al variare del rapporto di velocita λ = u/v ma e uguale a zero perλ = 0 e tende asintoticamente a 16/27 per λ →∞ (anche se gia per λ > 10 si ha Cp ≈ 16/27) Inquesto caso il massimo rendimento del generatore e del 66% con produzione di 184,8 W a 324rpm, e questa potenza deve eguagliare la potenza data dalla 4.1.

Essendo ρ = 1,24, si puo assumere per v il valore piu probabile della velocita del vento inun determinato luogo, ad esempio v = 9 m/s, mentre per il coefficiente di potenza Cp, tenendoconto che il sistema probabilmente avra molte perdite, si puo ipotizzare il valore 0,4 in primabattuta.

Con queste ipotesi si ottiene, per il raggio del rotore:

4.3 Progetto dell’aeromotore 33

r =¿ÁÁÀPrendmax/ηmax

1/2 Cp ρ π v3= 0,647 < 0,70[m]

e per il valore di λ:

λ = (2 π r ω/60)/v = 2,63894

che risulta essere abbastanza compatibile, secondo i grafici statistici, con il Cp indicato.

Ovviamente disponendo di un generatore con il massimo del rendimento ad una velocitadi rotazione maggiore, sarebbe possibile utilizzare un λ piu alto ed ipotizzare un rendimentoaerodinamico piu alto.

4.3.2 Pale

dR

5 .59°

dFu

dFv

dRx

dRz

I

i

14.2 4°

7.00°

7.24°

U

W

V

Figura 4.4: Triangolo di velocita alla punta della pala e forze di portanza e resistenza generateda un profilo aerodinamico (NACA4412)

In figura 4.4 e mostrato il generico triangolo di velocita alla punta della pala e le forzegenerate dall’azione del vettore della velocita relativa W sul profilo aerodinamico: e possi-bile esprimerla come somma di una componente parallela a W , detta Rx e proporzionale alcoefficiente di resistenza Cx caratteristico del profilo aerodinamico scelto, ed una componenteperpendicolare a W , detta Rz e proporzionale al coefficiente di portanza Cz del profilo. Questaforza poi, in virtu del vincolo delle pale sul rotore, si trasmette come una componente perpen-dicolare al piano di rotazione del rotore Fv, assorbita dalle reazioni vincolari, ed una, dettaFu, giacente sul piano di rotazione del rotore, che genera la coppia necessaria a mantenerlo inmovimento.


Nella figura inoltre si nota l’angolo I = arc tanλ e l’angolo i di incidenza effettiva del vettoreW sul profilo, che di solito viene scelto in modo da avere, almeno alla punta della pala, il maggiorrapporto Cz/Cx (finezza) sul profilo considerato e quindi il minor valore di tan ε = Cx/Cz .

Conoscendo questi due angoli e possibile determinare l’angolo di calettamento α = I − i, ede possibile ripetere questo calcolo per tutte le sezioni in cui si voglia dividere la pala al variaredella distanza dal centro di rotazione r, in modo da determinarne il profilo di svergolamento.

Ai fini del progetto della pala, inoltre, e bene fare in modo che la coppia generata da tuttele sezioni della pala al variare di r, sia il piu possibile uguale e percio sia il piu possibile uguale

su tutta la lunghezza della pala la quantitaCz p lp

r(con p numero delle pale ed lp lunghezza

della corda del profilo).Per fare questo, al diminuire di r deve aumentare lp.La teoria di Glauert perfeziona meglio il calcolo introducendo i parametri k ed h che servono

a correggere il valore del rapporto di velocita locale λr relativo alle diverse sezioni di pala, ecalcolarne quello effettivo λe, differenza, questa, dovuta al fatto che vengono usati profili realidal punto di vista della resistenza aerodinamica, ed il valore di tan ε, per quanto piccolo, nonsara mai uguale a zero.

In base a questa correzione si calcola l’angolo I e la quantitaCz p lp

rtramite le formule che

seguono.

λr = ur/v (4.2)

θ = 1

3arctanλr +

π

3(4.3)

k =√λ

2r + 1 + cos θ (4.4)

h =¿ÁÁÀ1 + 1 − k2

λ2r

(4.5)

Cp = λ2r(1 + k)(h − 1) (4.6)

λe = λr1 + h1 + k (4.7)

I = arc cotλe (4.8)

Cz p lp

r= 8π

1 − k1 + k (tan I)2 cos I (4.9)

In particolare per il λ considerato, alla punta della pala, si hanno i risultati della tabella 4.3:

Tabella 4.3: Risultati alla punta della pala

λ Θ k h Cp λe I (Cz p lp)/ r2,638938 1,450056 0,339908 1,061605 0,574843 4,060313 13,835813 0,729227

Mentre in tabella 4.4 sono presentati i risultati al variare della distanza dall’asse di rotazione.


Tabella 4.4: Risultati su tutta la lunghezza della pala al variare della distanza dall’asse dirotazione

r I (Cz p lp)/r0,15 40,3416 5,976610,2 35,3229 4,626770,25 31,1308 3,619380,3 27,6553 2,871260,35 24,7719 2,312630,4 22,3668 1,890820,45 20,3452 1,567900,5 18,6311 1,317080,55 17,1650 1,119440,6 15,9001 0,961550,65 14,7999 0,833810,7 13,8358 0,72923

A questo punto e importante scegliere il numero di pale che avra il rotore, e per far questobisogna tenere conto che la teoria di Glauert ipotizza un numero di pale infinito ed in questo casose i profili aerodinamici scelti avessero una finezza infinita, ossia sviluppassero solo portanza enessuna resistenza aerodinamica, il Cp del rotore si avvicinerebbe molto al limite di Betz per λelevati (superiori a 10).

Nella realta, pero un alto numero di pale fa girare il rotore piu lentamente e quindi riduce ilCp massimo ottenibile, come mostrato nella figura 4.5, tratta da Cella [12], mentre secondo laformula di Prandtl spiegata da Le Gourieres [3] il rendimento dovuto all’utilizzo di un numerofinito di pale p, e data dalla relazione:

ηp = (1 − 1,39

psin It)

2

dove It e l’angolo di inclinazione all’estremita delle pale.

E per questo che di solito per l’accoppiamento diretto a generatori elettrici si scelgono rotoritripala, ed e anche la scelta che verra fatta in questo caso, trattandosi di una macchina chedeve girare a basse velocita specifiche.

Un’altra scelta importante e quella del profilo aerodinamico e dell’angolo d’incidenza otti-male, dal quale ricavare il calettamento effettivo in funzione della distanza dall’asse di rotazione.

A questo scopo e possibile prendere come riferimento i grafici empirici delle polari di Eiffeltabulati per i diversi profili aerodinamici studiati in galleria del vento e che e possibile trovareanche nell’opera di Le Gourieres [3], e scegliere l’angolo di incidenza caratterizzato dalla mas-sima finezza, mentre il tipo particolare di profilo dipendera soprattutto dagli sforzi a cui sarasottoposta la pala, dovuti:

� Alla pura resistenza aerodinamica in condizioni di esercizio (di solito trascurabile comevedremo).

� Inerziale (proporzionale al peso della pala) dovuto alla forza centrifuga in condizioni diesercizio (di solito il piu importante).

� Inerziale dovuto ad un’azione di tipo giroscopico durante gli adattamenti ai cambiamentidi direzione del vento e che porta a degli sforzi caratterizzati da un ciclo di fatica all’in-versione durante il cambiamento di direzione a rotore in movimento e proporzionali allavelocita con cui avviene il suddetto cambio di direzione.


Cp ideale (teoria del momento o del disco attuatore) 0.59 (16/27)

Coefficiente di potenza teorico per un infinito numero di pale

Rotore a tre pale Rotore a due pale

Rotore ad una pala

Rotore Darrieus

Mulino olandese

Multipala americano

Rotore Savonius

Velocità adimensionale λ

Coe

ffici

ente

di p

oten

za d

el r

otor

e C

p

Figura 4.5: Grafici dei coefficienti di potenza di vari tipi di rotori al variare della velocitaadimensionale λ = u/v

Per cui il profilo deve garantire una sezione adeguata a sopportare gli sforzi nelle sezionipiu sollecitate (di solito vicino al baricentro della pala) mentre le tecniche costruttive devonogarantire principalmente la leggerezza del prodotto finito, volta a ridurre gli sforzi a cui e sot-toposta la pala e l’economicita costruttiva, che costituisce il parametro piu importante tramiteil quale ridurre il tempo di ritorno dell’investimento e quindi valutare la convenienza di questotipo di macchine.

Per questo, di solito, la pala viene costruita modellando, in un apposito stampo, della spumadi poliuretano e modellando su di essa degli strati di fibra di vetro o fibra di carbonio uniti daresina epossidica.

E possibile anche simulare il profilo scelto per ricavarne le curve di variazione dei coefficienticon l’angolo di incidenza, tramite il programma “open source” Xfoil di Drela [11] del M.I.T.,di cui si presenta il tipico tabulato finale prendendo in considerazione un profilo NACA 4412ed un numero di Reynolds di 300 000


XFOIL Version 6.94

Calculated polar for: NACA 4412

1 1 Reynolds number fixed Mach number fixed

xtrf = 1.000 (top) 1.000 (bottom)

Mach = 0.000 Re = 0.300 e 6 Ncrit = 9.000

alpha CL CD CDp CM Top_Xtr Bot_Xtr

------- -------- --------- --------- -------- ------- -------

0.000 0.4888 0.00814 0.00314 -0.1069 0.7251 1.0000

0.500 0.5394 0.00834 0.00308 -0.1056 0.6976 1.0000

1.000 0.5907 0.00860 0.00308 -0.1045 0.6716 1.0000

1.500 0.6423 0.00887 0.00317 -0.1035 0.6460 1.0000

2.000 0.6944 0.00919 0.00330 -0.1027 0.6229 1.0000

2.500 0.7468 0.00954 0.00349 -0.1019 0.6019 1.0000

3.000 0.7994 0.00990 0.00372 -0.1013 0.5825 1.0000

3.500 0.8521 0.01027 0.00401 -0.1006 0.5642 1.0000

4.000 0.9046 0.01065 0.00433 -0.1000 0.5467 1.0000

4.500 0.9568 0.01103 0.00470 -0.0993 0.5295 1.0000

5.000 1.0085 0.01144 0.00509 -0.0985 0.5122 1.0000

5.500 1.0593 0.01185 0.00550 -0.0976 0.4936 1.0000

6.000 1.1084 0.01228 0.00590 -0.0964 0.4720 1.0000

6.500 1.1562 0.01270 0.00634 -0.0949 0.4484 1.0000

7.000 1.2030 0.01313 0.00683 -0.0933 0.4232 1.0000

7.500 1.2475 0.01367 0.00735 -0.0914 0.3954 1.0000

8.000 1.2892 0.01430 0.00797 -0.0890 0.3603 1.0000

8.500 1.3261 0.01519 0.00877 -0.0859 0.3138 1.0000

9.000 1.3532 0.01660 0.00993 -0.0814 0.2553 1.0000

9.500 1.3681 0.01853 0.01153 -0.0752 0.1891 1.0000

10.000 1.3779 0.02104 0.01370 -0.0690 0.1286 1.0000

10.500 1.3864 0.02383 0.01630 -0.0632 0.0919 1.0000

11.000 1.3960 0.02677 0.01920 -0.0583 0.0726 1.0000

11.500 1.4046 0.03003 0.02254 -0.0541 0.0616 1.0000

12.000 1.4096 0.03390 0.02652 -0.0503 0.0542 1.0000

12.500 1.4112 0.03837 0.03108 -0.0472 0.0487 1.0000

13.000 1.4156 0.04289 0.03580 -0.0449 0.0447 1.0000

13.500 1.4184 0.04781 0.04085 -0.0431 0.0414 1.0000

14.000 1.4143 0.05358 0.04675 -0.0413 0.0387 1.0000

14.500 1.4200 0.05868 0.05206 -0.0405 0.0361 1.0000

15.000 1.4222 0.06425 0.05776 -0.0399 0.0340 1.0000

[...]

dove CL sta per “lift coefficient” (coefficiente di portanza Cz) e CD per “drag coefficient”(coefficiente di resistenza Cx).

I dati risultanti sono stati sintetizzati nella tabella 4.5 con l’indicazione anche dellafinezza = Cz/Cx e della tan ε = Cx/Cz .


Tabella 4.5: Variazione dei parametri aerodinamici di un profilo NACA 4412, con l’angolo diincidenza (Reynolds = 300 000)

i Cz Cx Finezza tan ε0 0,48880 0,00814 60,05 0,01665

0,5 0,53940 0,00834 64,68 0,015461 0,59070 0,00860 68,69 0,01456

1,5 0,64230 0,00887 72,41 0,013812 0,69440 0,00919 75,56 0,01323

2,5 0,74680 0,00954 78,28 0,012773 0,79940 0,00990 80,75 0,01238

3,5 0,85210 0,01027 82,97 0,012054 0,90460 0,01065 84,94 0,01177

4,5 0,95680 0,01103 86,75 0,011535 1,00850 0,01144 88,16 0,01134

5,5 1,05930 0,01185 89,39 0,011196 1,10840 0,01228 90,26 0,01108

6,5 1,15620 0,01270 91,04 0,010987 1,20300 0,01313 91,62 0,01091

7,5 1,24750 0,01367 91,26 0,010968 1,28920 0,01430 90,15 0,01109

8,5 1,32610 0,01519 87,3 0,011459 1,35320 0,01660 81,52 0,01227

9,5 1,36810 0,01853 73,83 0,0135410 1,37790 0,02104 65,49 0,01527

10,5 1,38640 0,02383 58,18 0,0171911 1,39600 0,02677 52,15 0,01918

11,5 1,40460 0,03003 46,77 0,0213812 1,40960 0,03390 41,58 0,02405

12,5 1,41120 0,03837 36,78 0,0271913 1,41560 0,04289 33,01 0,03030

13,5 1,41840 0,04781 29,67 0,0337114 1,41430 0,05358 26,4 0,03788

14,5 1,42000 0,05868 24,2 0,0413215 1,42220 0,06425 22,14 0,04518

15,5 1,42230 0,06970 20,41 0,04901

In base a cio, sul profilo scelto, si nota come ottimale (finezza massima) un angolo di inci-denza di 7○ caratterizzato da un Cz = 1,20300, per cui in ogni sezione sara, considerando unrotore tripala:

α = I − 7○

Cz p lp

r= 8π

(1 − k)(1 + k)(tan I)2 cos I = 1,20300 3 lp

r

da cui e possibile ricavare l’angolo di calettamento effettivo e la lunghezza di corda lp diogni sezione come fatto in tabella 4.6:

A questo punto, proprio per economizzare il processo di costruzione della pala, dopo aververificato che la larghezza di corda al mozzo non sia proibitiva, si possono scegliere delle leggilineari di variazione di calettamento e lunghezza di corda tra la punta ed il mozzo:


Tabella 4.6: Prospetto dello svergolamento ideale della palar Corda lp Calettamento α

0,15 0,25 33,340,2 0,26 28,320,25 0,25 24,130,3 0,24 20,660,35 0,22 17,770,4 0,21 15,370,45 0,2 13,350,5 0,18 11,630,55 0,17 10,160,6 0,16 8,90,65 0,15 7,80,7 0,14 6,84

lp = 0,277576 − 0,19448r

α = 40,5705 − 48,1924r

che portano alla tabella 4.7:

Tabella 4.7: Prospetto dello svergolamento semplificato della palar Corda lp Calettamento α

0,15 0,25 33,340,2 0,24 30,930,25 0,23 28,520,3 0,22 26,110,35 0,21 23,70,4 0,2 21,290,45 0,19 18,880,5 0,18 16,470,55 0,17 14,060,6 0,16 11,660,65 0,15 9,250,7 0,14 6,84


Figura 4.6: Layout del rotore con svergolamento ideale

Figura 4.7: Layout del rotore con svergolamento semplificato


Figura 4.8: Pala del rotore con indicazione delle sezioni di calcolo, misure in mm, profiloaerodinamico base NACA 4412.


4.4 Verifica e predeterminazione delle caratteristiche

Come indicato in Le Gourieres [3], e possibile predeterminare le curve caratteristiche del ro-tore progettato prima di costruirlo, dividendo la pala nelle diverse sezioni, per ognuna di esseipotizzando diversi angoli di incidenza e riportando i rispettivi valori di Cz.

Poi con gli stessi dati e possibile calcolare

I = α − i (4.10)

G = (1 − k)(1 + k) = Cz p lp

cos(I − ε)(8 π r cos ε(sin I)2) (4.11)

k = (1 −G)(1 +G) (4.12)

E = (h − 1)(h + 1) = Cz p lp

sin(I − ε)4 π r cos ε sin(2 I) (4.13)

h = (1 +E)(1 −E) (4.14)

λ = Rr

(1 + k)(1 + h) cot I (4.15)

fr = (1 − k2) rR

(4.16)

mr = (1 + k)2E cot I ( rR

)2

(4.17)

dove:

- fr e il coefficiente di resistenza (coefficiente della forza in direzione ortogonale all’areaspazzata dal rotore) di ciascuna sezione di pala

- mr e il coefficiente di momento (rispetto all’asse di rotazione del rotore) di ciascuna sezionedi pala

In tabella 4.8 vengono riportati i calcoli relativi alle prime due sezioni (r = 0,15 e r = 0,2)della pala progettata:

4.4 Verifica e predeterminazione delle caratteristiche 43

Tabella 4.8: Foglio di calcolo per la predeterminazione delle caratteristiche di funzionamentodel rotore

pale

3

Lung

hezz

a to

tale

Sez

ioni

0,70

000,

1500

0,15

000,

1500

0,15

000,

1500

0,20

000,

2000

0,20

000,

2000

0,20

001,

0000

1,00

001,

0000

1,00

001,

0000

2,00

002,

0000

2,00

002,

0000

2,00

00r/R

0,21

430,

2143

0,21

430,

2143

0,21

430,

2857

0,28

570,

2857

0,28

570,

2857

alfa

33

,341

633

,341

633

,341

633

,341

633

,341

630

,932

030

,932

030

,932

030

,932

030

,932

00,

2484

0,24

840,

2484

0,24

840,

2484

0,23

870,

2387

0,23

870,

2387

0,23

87i

0,00

001,

9000

4,70

007,

9000

9,90

000,

0000

1,90

004,

7000

7,90

009,

9000

0,26

360,

5088

0,77

641,

0087

1,36

020,

2636

0,50

880,

7764

1,00

871,

3602

0,11

390,

0664

0,05

470,

0557

0,02

640,

1139

0,06

640,

0547

0,05

570,

0264

epsi

lon

6,49

933,

7961

3,13

103,

1856

1,51

236,

4993

3,79

613,

1310

3,18

561,

5123

I = a

lfa +

i33

,341

635

,241

638

,041

641

,241

643

,241

630

,932

032

,832

035

,632

038

,832

040

,832

0

0,15

490,

2583

0,33

190,

3618

0,42

770,

1302

0,21

600,

2752

0,29

740,

3508

k =

(1 –

G)/(

1 +

G)

0,73

180,

5895

0,50

160,

4686

0,40

090,

7696

0,64

470,

5683

0,54

150,

4807

0,05

160,

1116

0,18

120,

2483

0,35

870,

0355

0,07

740,

1257

0,17

170,

2483

h =

(1 +

E)/(

1 –

E)

1,10

881,

2512

1,44

271,

6608

2,11

881,

0735

1,16

781,

2875

1,41

461,

6605

5,82

504,

6637

3,66

622,

9380

2,22

894,

9845

4,11

543,

3478

2,77

592,

2541

0,09

950,

1398

0,16

040,

1672

0,17

990,

1165

0,16

700,

1934

0,20

190,

2197

0,01

080,

0183

0,02

400,

0281

0,03

440,

0151

0,02

650,

0352

0,04

140,

0514

Ris

ulta

tir/R

0,

2142

95,

8250

00,

0995

40,

0107

90,

2857

14,

9844

70,

1165

10,

0151

20,

2142

94,

6637

10,

1398

20,

0183

20,

2857

14,

1153

80,

1669

70,

0264

80,

2142

93,

6662

40,

1603

70,

0239

80,

2857

13,

3477

70,

1934

30,

0352

10,

2142

92,

9379

70,

1672

30,

0280

50,

2857

12,

7758

80,

2019

40,

0413

80,

2142

92,

2288

50,

1798

50,

0343

70,

2857

12,

2540

70,

2197

10,

0514

2

lp

Cz

tg e

psilo

n

G =

(1 –

k)/(

1 +

k) =

C

z p

lp c

os(I-

epsi

lon)

/(8 P

i r c

os

epsi

lon

(sin

I)2

)

E =

(h –

1)/(

h +

1) =

C

z p

lp s

in(I

– ep

silo

n)/(4

Pi r

cos

ep

silo

n si

n (2

I))

λ =

R/r

(1 +

k)/(

1 +

h) c

otg

I fr

= (1

– k

2)r/R

m

r = (1

+ k

)2

E

cotg

I (r/

R)^

2 λ

fr m

r

Con

i ris

ulta

ti ot

tenu

ti è

poss

ibile

ripo

rtare

in u

n gr

afic

o, p

er o

gni v

alor

e de

l par

amet

ro r/

R le

cur

ve d

i var

iazi

one

dei c

oeff

icie

nti f

r ed

mr i

n fu

nzio

ne d

i λe:

Fig.

5.8

: Cur

ve fr

(λe)

per l

a pa

la p

roge

ttata

, dal

ba

sso

vers

o l'a

lto p

er v

alor

i cre

scen

ti de

l par

amet

ro

r/R

Fig.

5.9

: Cur

ve m

r(λ e

) per

la p

ala

prog

etta

ta, d

al

bass

o ve

rso

l'alto

per

val

ori c

resc

enti

del p

aram

etro

r/

R

da q

uest

e du

e se

rie d

a 12

gra

fici,

inte

rpol

ando

i va

lori

di fr

ed

mr p

er, a

d es

empi

o, 7

val

ori d

i λe,

si p

osso

no

tracc

iare

i gr

afic

i di v

aria

zion

e di

fr e

d m

r con

il p

aram

etro

r/R

per

gli

asse

gnat

i val

ori d

i λ e

.

AER

OG

ENER

ATO

RE

ITD

G IT

-100

CO

OPE

RA

ZIO

NE

INTE

RN

AZI

ON

ALE

Pagi

na 1

7

24

68

10

-0.75

-0.5

-0.25

0.250.5

0.75

24

68

10

0.050.1

0.15


Con i risultati ottenuti e possibile riportare in un grafico, per ogni valore del parametro r/Rle curve di variazione dei coefficienti fr ed mr in funzione di λ come nelle figure 4.9 e 4.10:

ü nn

2 4 6 8 10

-0.75

-0.5

-0.25

0.25

0.5

0.75

r=0.150.20.250.30.350.40.450.50.550.6

0.65

0.7

Dimensionamento2_2.nb 7

Figura 4.9: Curve fr(λ) per la pala progettata, per diversi valori della distanza r della sezionedall’asse di rotazione

2 4 6 8 10

0.05

0.1

0.15

0.2

r=0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5 0.550.60.65

0.7


Figura 4.10: Curve mr(λ) per la pala progettata, per diversi valori della distanza r della sezionedall’asse di rotazione


da queste due serie da 12 curve, interpolando i valori di fr ed mr per, ad esempio, 7 valori diλ, si possono tracciare i grafici di variazione di fr ed mr con il parametro r/R per gli assegnativalori di λ, come nelle figure 4.11 e 4.12.

0.2 0.4 0.6 0.8

-0.4

-0.2

0.2

0.4

0.6

0.8

λ=1

23

4

5

6

7


Figura 4.11: Curve fr(r/R) per la pala progettata, dall’alto verso il basso per diversi valori delparametro λ

0.2 0.4 0.6 0.8

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

λ=1

2

3

4

5

67


Figura 4.12: Curve mr(r/R) per la pala progettata, dall’alto verso il basso per diversi valori delparametro λ


A questo punto valgono, per il coefficiente di forza assiale e di coppia, le relazioni:

Cf(λ = n) = 2 ⋅ ∫0

1∣fr ( r

R)∣

l=nd( r

R) (4.18)

Cm(λ = n) = 2 ⋅ ∫0

1∣mr ( r

R)∣

l=nd( r

R) (4.19)

e dai valori ricavati si puo effettuare una regressione quadratica, usando un programma dimanipolazione algebrica 1, ed ottenere le espressioni approssimate:

Cf = 0,47417203802316904 + 0,24800361344653363 λ − 0,05250127498402179 λ2

Cm = 0,492089958973321 − 0,14342400338658076 λ + 0,010150456367243212 λ2

λ

1 2 3 4 5 6 7

0,2

0,4

0,6

Cf

-0,2

Figura 4.13: Variazione di Cf con λ

1E stato usato il MATEMATHICA della Wolfram Research


e quindi sara per il coefficiente di potenza Cp = Cm ⋅ λ

Cp

Cm

-0,1

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1 2 3 4 5

6 7

λ

Figura 4.14: Variazione di Cm e di Cp con λ

A questo punto, tenendo conto che:

λ = u/v = (2 π R ω/60)/ve possibile confrontare, sempre tramite un programma di manipolazione algebrica, il com-

portamento del rotore con quello del generatore elettrico: per degli assegnati valori di ω siinterpola la potenza fornita dal generatore elettrico ed il relativo rendimento, dalla tabella 4.2,poi tramite la risoluzione, in funzione di v, per gli stessi valori di ω, dell’equazione 4.20:

P = Cp(λ)1

2ρ π R2 v3 = Cp(ω, v)

1

2ρ π R2 v3 = Potdc100

ηdc(4.20)

e possibile riportare su un grafico i valori di potenza prodotta e rendimento con la corri-spondente della velocita del vento come in tabella 4.9:

Tabella 4.9: Relazione tra velocita del vento e potenza prodottaω [rpm] Potenza in Velocita del

uscita[W] vento [m/s]100 15,45 4,1150 35,48 5,15200 68,98 6,26250 111,77 7,26300 159,64 8,16350 208,4 8,98400 253,86 9,74450 291,81 10,47500 318,07 11,16


per gli stessi valori di ω e v e possibile ricavare anche il valore della forza assiale sviluppatatramite l’equazione 4.21 come nella tabella 4.10:

F = Cf(λ)1

2ρ π v2 = Cf(ω, v)

1

2ρ π v2 (4.21)

Tabella 4.10: Relazione tra velocita del vento e potenza prodotta con indicazione della resistenzaaerodinamica assiale e della tensione corrispondente

Velocita del Potenza in Tensione [V] Forza assiale ω [rpm]vento [m/s] uscita [W] [N]

4,10 15,45 2,86 12,03 1005,15 35,48 6,22 19,36 1505,26 38,29 6,55 20,25 1556,26 68,98 9,46 28,72 2007,26 111,77 12,61 38,52 2508,16 159,64 15,65 48,32 3008,98 208,40 18,58 58,00 3509,74 253,86 21,41 67,52 40010,47 291,81 24,14 76,84 45011,16 318,07 26,76 85,96 500

0

50

100

150

200

250

300

350

W

4 6 8 10 12ms

N

Potenza

Forza assiale

Figura 4.15: Curve di potenza e di forza assiale sviluppata in funzione della velocita del vento

4.5 Sistema di orientazione e di protezione 49

ed effettuare una regressione cubica dei punti ricavati per il grafico della curva di potenzain funzione della velocita del vento con l’equazione approssimata 4.22:

P (v) = 263,46730916690285−136,0886427596813 v+21,98953741186957 v2−0,836636894191527 v3

(4.22)ed una regressione quadratica per la curva di forza assiale con l’equazione approssimata

4.23:

F (v) = −7,855916184038649 + 2,648269560841487 v + 0,5185943889563787 v2 (4.23)

Ambedue sono rappresentate in figura 4.15

4.5 Sistema di orientazione e di protezione

Il sistema di orientazione e protezione dell’aerogeneratore descritto in Chiroque-Davila [13], devesostanzialmente sostenere il generatore elettrico in maniera da orientare il piano di rotazionedelle pale, perpendicolarmente alla direzione del vento, ma se il vento supera una certa velocitadeve progressivamente ridurre l’angolo di incidenza del vento sul disco attuatore.

Esistono diverse maniere per implementare una protezione atta allo scopo, ed in questocaso viene scelto un sistema meccanico integrato con il supporto di rotazione dell’aeromotoree l’impennaggio di orientazione, che ponga progressivamente “in bandiera” l’aeromotore, ossiatenda a disporre il piano di rotazione delle pale parallelamente alla direzione del vento, ruo-tandolo attorno all’asse verticale. Questa scelta e dovuta al fatto che le masse in gioco nonsono eccessive per cui la stessa resistenza aerodinamica puo effettuare sia l’orientazione che laregolazione.

E costituito sostanzialmente dal pezzo rappresentato in figura 4.16.Tramite esso l’asse di rotazione delle pale risulta sghembo rispetto a quello di rotazione

dell’intero aerogeneratore, mentre l’impennaggio di coda che serve ad orientarlo e imperniatoa 5○ rispetto alla direzione verticale. Questo fa si che il peso proprio dell’impennaggio tenda amantenerlo in posizione, ma se si applica al rotore una forza assiale eccessiva, mentre lo stessovento mantiene l’impennaggio in direzione parallela alla sua direzione, l’angolo relativo tra l’assedi rotazione delle pale e l’impennaggio tende ad aumentare come mostrato nelle figure 4.17 e4.18.


Figura 4.16: Particolare del sostegno del generatore elettrico con indicata la distanza dax tragli assi sghembi di rotazione del piano delle pale (orizzontale) e di rotazione del complesso dellamacchina (verticale), e l’angolo θ (misure in mm).


Figura 4.17: Vista laterale del generatore eolico completo con indicazione delle forze agenti.

Figura 4.18: Vista dall’alto del generatore eolico completo con indicazione delle forze agenti.


Abbiamo che la forza che agisce longitudinalmente all’impennaggio e:

flong =m g sin θ

con θ angolo del asse del perno di rotazione dell’impennaggio rispetto alla direzione verticale,mentre la forza tangenziale al cerchio spazzato dall’impennaggio e:

ftang = sinα flong

e quella normale:

fnorm = cosα flong

Tenendo conto che la forza assiale e data dal flusso della 4.23 attraverso la superficie spazzatadalle pale, inclinata dell’angolo α rispetto alla direzione del vento, il bilancio dei momentifornisce:

ftang dbr + fnorm dperno cos 90○ − α = dax fax = dax F (v) cosα

Ora trascurando, per semplicita, la forza normale al braccio dell’impennaggio a causa dellaridotta lunghezza del braccio su cui agisce abbiamo:

dax F (v) cosα = sinα flongdbr

che fornisce:

tanα = dax F (v)m g sin θdbr

α = arctandax F (v)

m g sin θdbr(4.24)

Quindi il sistema meccanico di regolazione agira aumentando l’angolo α e riducendo laproiezione della superficie spazzata dalle pale, normale al flusso d’aria, per cui la potenza finalein uscita sara:

Pf = P (v) cos(α) = P (v) cos(arctandax F (v)

m g sin θdbr) (4.25)

In questo caso i dati numerici sono:m = 5,5 kg (massa dell’impennaggio)dax = 0,0234 m (distanza tra gli assi sghembi di rotazione delle pale e di rotazione del tutto)dbr = 0,935 m (distanza del baricentro dell’impennaggio dal suo perno di rotazione)θ = 5○ (angolo dell’asse di rotazione del perno rispetto alla verticale)g = 9,8 m/s2 (accellerazione di gravita)quindi se P(v) e approssimata dalla 4.22 ed F(v) dalla 4.23, abbiamo come approssimazione

della curva di potenza finale in uscita, l’equazione 4.26:

Pfin(v) =263,467 − 136,089 v + 21,9895 v2 − 0,836637 v3

√1 + 0,0000283817 (−7,85592 + 2,64827 v + 0,518594 v2)2

(4.26)


8 10 12 14 16 18

50

100

150

200

250

300

m/s

W

Figura 4.19: Rappresentazione grafica della 4.26 che esprime la produzione elettrica in funzionedella velocita del vento per la macchina progettata.

Capitolo 5

Confronto tra la macchinacostruita e quella ri-progettata

A questo punto, dato che il presente lavoro si propone il miglioramento di una macchina giaesistente, ed avendo a disposizione i dati sperimentali delle prove sul campo eseguite sullamacchina in oggetto (fornite da Sanchez et al.[5].), si e ripetuto per essa, il calcolo eseguito aiparagrafi 4.4 e 4.5.

L’aerogeneratore costruito in Peru dal gruppo ITDG, presenta lo stesso tipo di generatoreelettrico, ma delle pale progettate in maniera diversa, come descritto in Sanchez et al.[2], il cuisvergolamento e descritto in tabella 5.1, mentre l’angolo θ di figura 4.16, relativa al sostegnocentrale che fa anche da sistema di protezione per le raffiche di vento forte, e di 4○ anziche 5○,determinando un maggiore intervento del sistema di protezione.

Infatti la macchina costruita in Peru, presenta molte problematiche quanto a durata dellepale, quasi tutte imputabili all’alta velocita di rotazione del rotore.

Dalla tabella 5.1, inoltre si evince che il diametro del rotore in quest’ultimo caso e di 1,70 m,quindi sensibilmente piu grande rispetto alla macchina progettata nel presente lavoro (1,40 m).

Tabella 5.1: Pale “Peru NACA4412” progettate da Teodoro SanchezSezione Raggio Lunghezza Angolo didi pala locale [m] di corda [m] calettamento α○

1 0,15 0,17 14,52 0,2 0,16 13,63 0,25 0,15 12,74 0,3 0,15 11,85 0,35 0,14 10,96 0,4 0,13 9,97 0,45 0,13 9,18 0,5 0,12 8,29 0,55 0,11 7,310 0,6 0,1 6,311 0,65 0,1 5,412 0,7 0,09 4,513 0,75 0,08 3,614 0,8 0,08 2,715 0,85 0,07 1,8

56 Confronto tra la macchina costruita e quella ri-progettata

Si e ottenuta, per l’espressione del coefficiente di potenza, l’equazione 5.1:

Cpperu = λ (0,31714 − 0,0571611 λ + 0,00233242 λ2) (5.1)

Quindi si e ottenuta la tabella 5.2 e l’equazione 5.2:

Tabella 5.2: Relazione tra velocita del vento e potenza prodotta, calcolata per la macchi-na costruita in Peru, con indicazione della resistenza aerodinamica assiale e della tensionecorrispondente

Velocita del Potenza in Tensione [V] Forza assiale ω [rpm]vento [m/s] uscita [W] [N]

3,63 15,45 2,86 23,08 1004,52 35,48 6,22 37,54 1505,46 68,98 9,46 56,36 2006,30 111,77 12,61 76,64 2507,05 159,64 15,65 97,73 3007,72 208,40 18,58 119,45 3508,35 253,86 21,41 141,78 4008,94 291,81 24,14 164,73 4509,51 318,07 26,76 188,30 500

Pperu(v) =297,265 − 174,106 v + 31,7811 v2 − 1,38888 v3

√1 + 0,0000443059 (9,04439 − 5,21178 v + 2,52908 v2)2

(5.2)

Che confrontata con i dati sperimentali come in figura 5.1, dimostra la validita della teoriadi Glauert nel prevedere il funzionamento di questo tipo di macchine.

A questo punto nelle figure 5.2 e 5.3 e stato effettuato il confronto tra i due progetti, mo-strando che il progetto di un aerogeneratore con il metodo mostrato al paragrafo 4.3, ancorcheapprossimato da una legge lineare di variazione del calettamento tra il mozzo e la punta del-la pala (per motivi di semplicita costruttiva del manufatto finale), e in grado di aumentaresensibilmente il rendimento complessivo dell’aerogeneratore, rispetto alla potenza teoricamenteottenibile dal limite di Betz (PBetz = 1

21627ρ π r2 v3).

Non bisogna dimenticare infatti, che il raggio del rotore progettato nel presente lavoro e piucorto del 17,65% rispetto a quello della macchina originale.

Inoltre dalla figura 5.2 e soprattutto dal confronto tra le tabelle 5.2 e 4.10, ci si rende contoche la macchina quı progettata ruota a delle velocita specifiche molto piu basse: con 9 m/s divelocita del vento (condizioni di progetto) essa ruota a circa 350 rpm mentre il rotore progettatoda Sanchez et al.[2] ruota a circa 450 rpm.

Tutto cio si traduce in una molto minore entita delle forze di tipo inerziale agenti sulle pale,e in minori perdite aerodinamiche.

E inoltre ragionevole pensare che una macchina con meno perdite aerodinamiche risulteraanche molto piu silenziosa ed in generale molto meno impattante nei confronti dell’ambientecircostante.

57

8 10 12 14 16 m/s

W

50

100

150

200

Figura 5.1: Confronto tra la curva di potenza teorica calcolata tramite la teoria di Glauert perl’aerogeneratore costruito in Peru, ed i dati sperimentali delle prove sul campo.

1 2 3 4 5

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Cp

λ=u/v

Figura 5.2: Confronto tra il coefficiente di potenza Cp in funzione della velocita adimensionaleλ = u/v calcolato per la macchina progettata (linea continua) e quello calcolato per la macchinacostruita da ITDG-Peru (linea tratteggiata)

58 Confronto tra la macchina costruita e quella ri-progettata

8 10 12 14 16 18

50

100

150

200

250

300

m/s

W

Figura 5.3: Confronto tra la curva di potenza calcolata per la macchina progettata (lineacontinua), quella calcolata per la macchina costruita da ITDG-Peru (linea tratteggiata) ed idati sperimentali della prova sul campo della seconda

Conclusioni

Gli obiettivi preposti dalle specifiche di progetto sono stati raggiunti nel complesso.La ri-progettazione, tramite la teoria di Glauert, del rotore della macchina eolica considerata,

ha permesso di ottenere le stesse prestazioni con un diametro inferiore del 17,65%.La riduzione di lunghezza delle pale si traduce in un notevole alleggerimento delle stesse

rispetto a quelle utilizzate in origine ed ad una notevole riduzione delle forze di tipo inerziale acui sono sottoposte durante l’esercizio.

Il rotore eolico cosı realizzato riesce a funzionare, per le velocita del vento espresse in specifica(4,5 m/s - 10 m/s raggiungendo il massimo a circa 13 m/s), ad un regime di rotazione inferiorerispetto a quello di aerogeneratori di simili prestazioni (dell’ordine di circa 500 giri/min a13 m/s), pur mantenendosi a livelli di rendimenti, rispetto alla potenza teoricamente disponibiledal limite di Betz, inferiori rispetto a quelli di questi ultimi.

Cio riduce drasticamente l’entita delle forze di tipo inerziale e garantisce un basso livello dirumore emesso, date le basse velocita in gioco, assicurando il comfort uditivo, pur risentendodi un sistema di frenatura non ottimale.

Uno dei punti di forza di questo lavoro, e l’estrema economicita del progetto, cosa cheviene generalmente giudicata essenziale nel progetto di una macchina eolica, dato che la forzamotrice e gratuita e le uniche voci che entrano nel bilancio per ricavare il tempo di ritornodell’investimento, sono quelle relative all’installazione ed alla manutenzione.

60 Conclusioni

Ringraziamenti

Desidero ringraziare sentitamente:

Il prof. Josep Ramon Gonzalez Castro della Escola Politecnica Superior dell’Universi-tat de Girona per i preziosi consigli, l’utilizzo libero del laboratorio di fluidodinamicacomputazionale, e l’enorme raccolta di dati sperimentali.

I ragazzi di Enginyeria Sense Fronteres per l’aiuto ricevuto contro la burocrazia, sia internache esterna.

62 Ringraziamenti

Bibliografia

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Filippo Didonna, Gianmario l. Arnulfi, Tesi Di Laurea Progettazione Di Un Piccolo Aeromotore Ad Asse...

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