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L’energia Eolica: Parte 1 Arturo de Risi, Università degli Studi di Lecce Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica Evoluzione Storica: dai Mulini a Vento ad Oggi Il primo riferimento ad un mulino a vento risale al 644a.c. e fa riferimento ad un mulino sito in Persia Nel 1095 con l’inizio delle Crociate gli europei cominciano a scoprire le potenzialità dei sistemi eolici. La Persia è la nazione che ne fa più largo uso.
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L’energia Eolica:Parte 1
Arturo de Risi,Università degli Studi di Lecce
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica
Evoluzione Storica: dai Mulini a Vento ad Oggi
Il primo riferimento ad un mulino a vento risale al 644a.c. e fa riferimento ad un mulino sito in Persia
Nel 1095 con l’inizio delle Crociate gli europei cominciano a scoprire le potenzialità dei sistemi eolici.La Persia è la nazione che ne fa più largo uso.
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Bisogna aspettare fino al 1150 per vedere il primo mulino a vento europeo
Nel 1230 Gengis Khan importa la tecnologia dei mulini a vento dalla Persia in Cina
Evoluzione Storica: dai Mulini a Vento ad Oggi
Nel 1600 si ha la comparsa dei mulini a vento nel continente Americano
Nel 1650 Rembrandt dipinge il “mulino a vento”
Nel 1839 si ha il primo impianto eolico costruito sulle “barrierislands” Carolina
Nel 1870 si costruisce la prima turbina eolica con pale metalliche west-US
Evoluzione Storica: dai Mulini a Vento ad Oggi
Nel 1888 si costruisce in Cleveland Ohio la prima turbina eolica per produzione di energia elettrica
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Bisogna aspettare fino al 1891 per i primi studi europei (Olanda) sulla generazione di energia elettrica dal vento
Nel 1925 vengono installati negli USA i primi sistemi di produzione di energia elettrica di piccola taglia
Evoluzione Storica: dai Mulini a Vento ad Oggi
Nel 1945 dopo WWII lo sviluppo di centrali eoliche continua soprattutto negli USA, GB e Olanda
1999 2000 2001 2002
V52-850 kW
V66-1,65 MW
V47-660 kW
V80-2,0 MW V80-2,5-3,0 MW Vxxx-x,x MWV66-1,75 MWV66-2,0 MW
Evoluzione Storica: dai Mulini a Vento ad Oggi
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Taglia media delle turbine installate
Evoluzione Storica: dai Mulini a Vento ad Oggi
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
kW
Energia Eolica: Stato Attuale e Previsioni Future
0
5000
10000
15000
20000
25000
MW
European Union 439 629 844 1211 1683 2515 3469 4772 6458 9307 12814 17965World 1743 1983 2321 2801 3531 4821 6113 7679 10276 13594 17357 24704
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Energia eolica installata
5
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
MW
European Union 190 215 367 472 832 954 1303 1686 2849 3507 4335
World 240 338 480 730 1290 1292 1566 2597 3318 3763 6255
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Energia eolica installata per anno
Energia Eolica: Stato Attuale e Previsioni Future
Paese Potenza installata (MW)
nel 1999
Potenza installata (MW) nel 2000
Potenza accumulata (MW)
nel 2000Argentina 1 1,2 16Brasile 3 0,2 22Canada 43 13 139Costa Rica 24 0 51Mexico 0 0 2USA 477 165 2610
Resto America 1 0 7Totale America 548 180 2847Austria 9 35 69Belgio 1 8 19Danimarca 325 603 2341Finlandia 21 0 39Francia 4 38 63Germania 1.568 1665 6107Grecia 103 116 274Irlanda 10 49 122
Olanda 54 40 473Norvegia 4 0 13Portogallo 10 50 111Spagna 932 1024 2836Svezia 44 45 265Turchia 0 10 19Regno Unito 24 63 425Resto dell'UE 2 0,8 30,6UE Totale 3.192 3.893 13.630
Italia 80 147 424
Potenza eolica installata e accumulata nel mondo
Paese Potenza installata (MW)
nel 1999
Potenza installata (MW) nel 2000
Potenza accumulata
(MW) nel 2000Australia 0 21 30Nuova Zelanda 11 0 35Islanda 2 0 5Totale Oceania 13 21 70Egitto 30 33 69Marocco 14 40 54Tunisia 11 0 11Resto Africa 0 0 4Totale Africa 55 73 137Medio Oriente 18 0 18Unione Sov. 19 0,3 19,5Rep. Cinese 25 84 352India 43 169 1220Giappone 38 74 142Resto Asia 9 3,3 15Totale Asia 152 330 1765TOTALE MONDO 3.922 4.495 18.449
Energia Eolica: Stato Attuale e Previsioni Future
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Vocazione eolica sui territori dei Paesi aderenti alla comunità europea
Fonte: EU White Paper
Le Risorse Eoliche
ms-1 Wm-2 ms-1 Wm-2 ms-1 Wm-2 ms-1 Wm-2 ms-1 Wm-2
> 8.0 > 600 > 8.5 > 700 > 9.0 > 800 > 10.0 > 1100 > 11.0 > 15007.0-8.0 350-600 7.5-8.5 450-700 8.0-9.0 600-800 8.5-10.0 650-1100 9.5-11.0 900-15006.0-7.0 250-300 6.5-7.5 300-450 7.0-8.0 400-600 7.5-8.5 450-650 8.0-9.5 600-9004.5-6.0 100-250 5.0-6.5 150-300 5.5-7.0 200-400 6.0-7.5 250-450 6.5-8.0 300-600< 4.5 < 100 < 5.0 < 150 < 5.5 < 200 < 6.0 < 250 < 6.5 < 300
(c) 1989 Risø National Laboratory, Denmark
10 m 25 m 50 m 100 m 200 m
Risorse eoliche in mare aperto nelcontinente europeo
Le Risorse Eoliche
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Campania
226.9 MW
Sardegna
18.94 MW
Emilia
3.5 MW
Puglia
199.61 MW
Sicilia
0.6 MW
Calabria
0.64 MW
Abruzzo
35.29 MW Molise
27.06 MW
Piemonte
0.15 MW
Potenza eolica installatain Italia al 2000
Energia Eolica: Stato Attuale e Previsioni Future
•Rapporto fra il potenziale eolico* delle regioni peninsulari e gli attuali consumi elettrici regionali.
108%Sardegna74%Abruzzo
35%Sicilia14%Lazio
10%Calabria114%Umbria
116%Basilicata100%Marche
26%Puglia10%Toscana
26%Campania6%Emilia Romagna
128%Molise12%Liguria
Fonte: Periodico ECOLOGIA Ottobre 2001*Energia ricavabile dal vento a costi competitivi con le attuali tecnologie
Energia Eolica: Stato Attuale e Previsioni Future
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La Natura del Vento
* Rotazione terrestre* Superficie coperta con H2O
* Sole sulla verticale dell’eq.* Moti convergenti ascensionali* Presenza di cicloni alle medie lat.
* Moti effettivi più complessi …
sfc windsdivergenza
convergenza
convergenzaL
L
Bassa pressione
In assenza di rotazione
sfc winds
H H H
polar front
30N
60N
(surface trough)
L
Northeast trades
Polar easterlies
Westerlies
H
H H HL
V
Con Rotazione
La Natura del Vento
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Immediatamente a monte dello strato limite l’atmosfera è in condizioni prossime all’equilibrio geostrofico.
1. La particella accelera per effetto della pgf
2. La forza di Coriolis genera una componente normale al moto
3. Maggiore è l’accelerazione, maggiore è la forzadi Coriolis
4. Il processo continua fino all’equilibrio con la pgf
Flusso iniziale non bilanciato equilibrio
(per una velocità costante del vento la risultante delle forze è nulla)
high
low
FCoriolis= pgf
pgf
N.B.: Quanto descritto è valido solo nel caso di isobare rettilinee.
La Natura del Vento
Cosa influenza il vento all’interno del PBL?
I gradienti di pressione orizzontali su larga scalaLe caratteristiche di rugosità della superficieLa rotazione della Terra (Coriolis)Cicli termici giornalieri della superficie (Stratificazione del PBL)Entrainment di aria al di sopra del PBLScambi di quantità di moto & calore nei moti orizzontaliFenomeni di convergenza/divergenza su larga scalaCopertura nuvolosa e precipitazioniTopografia
La Natura del Vento
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In prossimità della superficie (~1 km)
low
FCoriolis= pgf
high
apply friction
1. Particella in equilibrio geostrofico2. La presenza di attrito (non equilibrio).3. Si ha una decelerazione, Coriolis si riduce.4. Le pgf spingono la particella verso il
basso.
Ffr
5. Si stabilisce un nuovo equilibrio
Ekman Spiral
zgeostrophic
yx
x-isobaric toward low pressure
N.B.: Quanto descritto è valido solo nel caso di isobare rettilinee.
La Natura del Vento
La parte più bassa dell’atmosfera prende il nome di the troposfera e si estende per ~ 15 km
Lo strato limite planetario (PBL) ha un’altezza circa pari a ~0-3 km. Per altezze superiori l’effetto della superficie non risulta essere rilevante.
La Natura del Vento
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Le caratteristiche dell’atmosfera in prossimità del suolo sono fortemente dipendenti dalla radiazione solare e terrestre e dai fenomeni di riflessione ed assorbimento. Ossia, la copertura nuvolosa, lo spessore dello strato di nuvole, le proprietà del terreno e l’umidità dell’aria sono parametri fondamentali.
Nel periodo notturno o quando il sole è basso sull’orizzonte, la terra tende a raffreddarsi raffreddando anche l’aria limitrofa. Questoprocesso continua fino al sorgere del sole, quando si registra il massimo valore dell’inversione notturna (la temperatura aumenta con l’aumentare dell’altezza). Le variazioni termiche maggiori si hanno nelle nottate di cielo sereno con condizioni atmosferiche di calma e bassa umidità.
La Natura del Vento
Le variazioni delle variabili atmosferiche che si registrano nelperiodo diurno sono uno dei parametri chiave per determinare le caratteristiche dello strato limite sulla terra.
Sugli oceani e sulle grandi masse d’acqua, invece, le variazioni dello strato limite avvengono molto più lentamente sia nel tempo che nello spazio. Ciò è dovuto alla grande capacità termica dell’acqua che rende possibile l’assorbimento di enormi quantitàdi calore solare con modeste variazioni di temperatura.
La Natura del Vento
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Fenomeni quali l’attrito, la radiazione solare e l’evapotraspirazionegenerano moti turbolenti di varie scale.
Pertanto, per la bontà di una previsione dipende dalla precisione con cui si possono calcolare i flussi terrestri.
La Natura del Vento
Lo strato limite planetario sulla terra consiste di tre parti principali:
1) Mixed layerCondizioni instabili con caratterizzate da un forte flusso termico diretto dalla superficie terrestre verso l’alto e basse velocità del vento. Lo strato limite planetario è associabile a moti termici convettivi originati dalla temperatura più alta della superficie terrestre. Quando persistono queste condizioni di instabilità, che di solito si verificano nelle ore di sole, lo strato limite terrestre prende il nome di mixed layer
2) Strato limite notturno stabileLo scambio termico radiativo nel periodo notturno tende a raffreddare l’aria a contatto con la superficie generando, così, uno strato di inversione a basso livello con condizioni relativamente stabili. L’altezza dello strato di aria in cui la temperatura cresce partendo dalla superficie terrestre fino alla fine della zona di inversione è chiamato strato limite stabile e varia fra i 100 ed i 500m di altezza.
La Natura del Vento
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Noon NoonSunset SunriseMidnight
1 km
10 km
Free Atmosphere
surface layer
ConvectiveMixed Layer
Mixed Layer
stable boundary layer
Residual Layer
venti ~ geostrofici
3) Strato residuoE’ quella parte dell’atmosfera in cui si hanno ancora fenomeni di mescolamento a seguito dei moti convettivi dell’aria anche se il flutto energetico dalla superficie terrestre è piccolo.
La Natura del Vento
La Turbulenza da sola non è in grado di trasferire massa ed energia effettuando uno scambio all’interfaccia atmosfera / oceano o atmosfera / Terra. In corrispondenza del suolo la velocità e la turbolenza sono nulle. Si devono, pertanto, individuare altri meccanismi di trasporto. (laminar boundary layer).
I meccanismi di conduzione, diffusione molecolare ed evapotraspirazione contribuiscono al trasferimento di calore e massa fra la superficie e gli strati più bassi della atmosfera. Una volta nell’aria i processi di turbolenza diventano il mezzo principale di trasporto nell’atmosfera. 1 cm
K m/s
moleculartransfer
turbulenttransfer TOTAL EFFECTIVE
TURBULENTFLUX
0.20
La Natura del Vento
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La struttura dello strato limite è influenzata dalla tipologia del suolo e dalla stabilità del PBL
La rugosità della superficie determina in qualche modo il “livello di turbolenza” prodotto, l’attrito al suolo e la forma del profilo del vento.
(Stessa Stabilità)
La Natura del Vento
La stabilità influenza la struttura della turbolenza. Nel caso di PBL instabilestratificato (durante il giorno con flusso termico dalla terra verso l’alto) i livelli di turbolenza sono maggiori e generano un miglior scambio di massa ed energia che contribuisce ad un più uniforme distribuzione della quantità di moto, della temperatura e dell’umidità.
La Natura del Vento
Nel caso di PBL stabile stratificato (periodo notturno) la turbolenza prodotta dall’interazione con il suolo è confinata in basso dalla stabilità del PBL di conseguenza si ha un ridotto scambio con la superficie. In queste condizioni la tipologia del suolo è meno rilevante.
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temperatura
neutrale
θ
Mescolamento vigoroso (sfc heating)Notte: raffreddamento per irraggiamento
~150 m
~1500 m
inversion layer
Velocità Vento
sfc layer
mixed layerconvective PBL profiles
u θ0
PBL TOP
θ
stable PBL profiles~200
m
u
u
Notare le scale!
Entrainment
La Natura del Vento
Se si usa una velocità media per caratterizzare un sito si perderanno le informazioni sulla sua variabilità. Poiché la potenza generata dipende dal cubo della velocità del vento questo può inficiare la validità della valutazione.
Questo problema può essere risolto considerando una appropriata distribuzione di probabilità per le intensità del vento.
Tuttavia l’uso di tecniche statistiche può essere problematico, meglio usare dati storici.
La variazione dei livelli di urbanizzazione delle aree viene spesso investigata nell’analisi del sito soprattutto se situato nei pressi di zone urbane.
Perché dobbiamo parametrizzare il vento degli strati bassi del PBL?
La Natura del Vento
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“Power Law Profile” (Prandtl)
(La si dovvrebbe usare solo per prevedere la velocità del vento ad altezze superiori a quelle degli ostacoli vicini => flussi in campo aperto)
La legge di potenza deve essere usata attentamente poiché non è basata su alcuna rappresentazione fisica. Bisogna notare, inoltre che non riesce a descrivere bene il flusso alle basse quote.
La Natura del Vento
La legge di variazione del vento con l’altezza nei primi 100m può essere descritta con una legge logaritmica. (ossia, si assume che la variazione del vento con l’altezza è inversamente proporzionale all’altezza stessa).
“Logarithmic Profile Law” (solo NNBL, or z < 10 m)
I processi di mescolamento in regime turbolento a volte possono essere considerati come un tipico problema di diffusione
(Approccio noto come Teoria K)
reppresenta l’effetto dell’attrito al suolo(dipende dalla sfc e
dall’intensità del vento)
La Natura del Vento
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Entrambe le leggi (log e power laws) sono espressioni semplificate del profilo reale. Esse sono valide SOLO in caso di terreni piatti e senza ostacoli significativi.
Esse non sono in grado di tener conto degli effetti dovuti alla topologia, ad ostacoli a cambi di rugosità del terreno o di stabilità atmosferica.
Quando si applicano queste formule esse possono dare indicazioni solo relativamente alla parte di strato limite più vicino alla superficie (ossia ~50-100 m) e implicitamente assumono che:.
• La direzione del vento non cambi con la quota• Gli effetti rotazionali della terra sia trascurabili• Che la struttura dello strato limite sia influenzata solo dall’attrito con la superficie e dal gradiente termico.
La Natura del Vento
ATTENZIONE
La rugosità delle superfici si può caratterizzare in funzione:• dell’altezza media dei vari ostacoli• densità superficiale degli ostacoli• Forma degli ostacoli• Flessibilità e mobilità degli ostacoli
A seconda della stabilità dell’atmosfera i vortici turbolenti saranno allungati (instabile) o appiattiti (stabile) e ciò varierà il profilo del vento.
Per meglio utilizzare la legge logaritmica in condizioni in cui l’atmosfera si non neutra (NN) è possibile trovare in letteratura dei coefficienti moltiplicativi in funzione della classe di stabilità.
La Natura del Vento
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Classificazione dei terreni in funzione della Surface Roughness Length, ZO
ZO (m) Terrain Description (~1/30 height of the roughness elements)
0.0002 Open sea, fetch at least 5km
0.03 Open flat terrain; grass, few isolated obstacles
0.10 Low crops, occasional large obstacles; x'/h > 20*
0.25 High crops, scattered obstacles, 15 < x'/h < 20*
0.50 Parkland, bushes, numerous obstacles, x'/h 10*
0.5-1 Regular large obstacle coverage (suburb, forest)
Roughness Length zo
Di solito viene calcolata con i minimi quadrati sulla distribuzione logaritmica.Varia di 5 ordini di grandezza!
La Natura del Vento
La Natura del Vento
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La Natura del Vento
Il Vento: La scala dei venti
