Le energie alternative e le loro Le energie alternative e le loro Le energie alternative e le loro Le energie alternative e le loro

applicazioni nella nostra scuolaapplicazioni nella nostra scuolaapplicazioni nella nostra scuolaapplicazioni nella nostra scuola

Di Mattia Dotteschini ed Andrea Dal Maso

Classe 5 BM

anno scolastico 2010/2011

Indice generale:

1. Perché l’idea? 2. Storia 3. Introduzione 4. Consumi della scuola con sistemi eolici e solari 4.1. Flow-chart o diagramma a blocchi 5. Premessa e generalità sul fotovoltaico 6. Premessa e generalità sul generatore eolico 6.1. Struttura generale di un generatore eolico 7. Profili 8. Progettazione di massima degli organi meccanici 9. Valenza dell'iniziativa 10. Vendita o scambio sul posto 11. Trattamento termico di cambo-cementazione sui denti delle ruote dentate 12. Visual impact of a wind farm 13. In quanto tempo si ripaga un sistema fotovoltaico?

13.1. Calcoli economici 14. In quanto tempo si ripaga il sistema eolico?

Consumi della nostra scuola

NB: i rilevamenti sono stato effettuati nel corso dell'anno 2010 LEGENDA: 1- periodo gennaio/febbraio 2010 2-periodo febbraio/marzo 2010 3-periodo marzo/aprile 2010 4-periodo aprile/maggio 2010 5periodo maggio/10 giugno 2010 6-periodo 10 giugno/agosto 2010 7-periodo agosto/settembre 2010 8-periodo settembre/ottobre 2010 9-periodo ottobre/novembre 2010 10-periodo novembre/dicembre 2010

1-Perché questa idea?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

E’ un dato di fatto che energia e progresso siano legati tra loro da un rapporto biunivoco: le risorse disponibili favoriscono il progresso e, contemporaneamente, l’innovazione tecnologica permette di sfruttare l'energia fruibile. Questa è l’opinione comune, anche perché non sarebbe possibile affermare il contrario. Di conseguenza non vengono sostenute altre tesi per quanto riguarda questo preciso concetto, anche se sono numerosi gli schieramenti, quando si tratta di discutere sulla provenienza di tali fonti. Per comprendere quali siano al giorno d’oggi i vantaggi procurati dallo sfruttamento energetico, riteniamo che sia importante analizzare a fondo il percorso che ci ha portati ai livelli attuali di progresso. La storia dell’usufrutto dell'energia è nata sin dagli albori della storia umana, con la scoperta del fuoco, seguita dalla nascita dell’agricoltura e dell’allevamento, i primi esempi di lavoro umano. Facendo un salto nel tempo, giungiamo al Medioevo dove per la prima volta l'uomo ha saputo intelligentemente sfruttare l'energia rinnovabile con l’invenzione dei mulini a vento e ad acqua. Con la prima rivoluzione industriale arriva il vero e proprio cambiamento drastico: l'energia diventa non importante, ma indispensabile per lo sviluppo. Con il sorgere dell’industria il sistema economico e sociale viene radicalmente cambiato. E’ nel 1900 che comincia il processo per arrivare alla soluzione attuale. La prima guerra mondiale accelera fortemente lo sviluppo industriale, per la necessità di produrre armi all’avanguardia, non fabbricate artigianalmente. Il petrolio diventa la principale fonte energetica mondiale, grazie all’investimento di enormi capitali in raffinerie, oleodotti e navi petrolifere. Nel primo dopoguerra comincia la ricerca sull'energia nucleare, che trova il suo culmine con l’esplosione della prima bomba atomica. Al termine del seconda guerra mondiale le esigenze energetiche diventano enormi, di dimensioni mai conosciute nella storia. L'energia è fornita essenzialmente dal petrolio, i cui giacimenti sono situati per lo più nei paesi meno sviluppati. Inizia quindi la corsa degli Stati più potenti per accaparrarsi questo bene così prezioso. Il petrolio è però una fonte in via di esaurimento, e se i consumi continueranno ad essere pari a quelli attuali nel giro di 20 o massimo 30 anni questo finirà. Oltre quello appena descritto, esistono anche altri problemi, primo fra tutti quello ambientale. Il suo consumo spropositato ha, ad esempio portato all'effetto serra. E' ovvia perciò l'esigenza di iniziare ad utilizzare fonti di energia rinnovabili in tutti i settori, compreso quelli pubblici e dell'istruzione in particolare, che dovrebbe fare da esempio per tutti gli altri. E' stata proprio questa riflessione a far nascere in noi l'idea di un progetto per rendere la nostra scuola autosufficiente dal punto di vista energetico.

2-Storia

I primi prototipi di generatori eolici risalgono al periodo della prima guerra mondiale. In questo periodo l'energia elettrica era generata solo con centrali a carbone o idroelettriche. Era necessario però riuscire ad inventare un sistema che, senza la realizzazione di complicatissime e costosissime strutture riuscisse a generare energia elettrica. Ma chi diede il maggior impulso a questa tecnologia fu la germania di Hitler che in quel periodo investiva enormi risorse nello studio dei profili alari degli aerei da guerra. Altro ente importante nel campo dei profili alari fu l'americana NACA (National Advisory Committee for Aeronautics - Comitato consultivo nazionale per l'aeronautica)( attuale NASA) che si dedicò, durante le due guerre, allo studio dei profili alari degli aerei. I nuovi studi sui profili vennero in breve tempo applicati alle pale eoliche, che sfruttano lo stesso principio di funzionamento per far girare un generatore elettrico.

3-Introduzione Per rendere la scuola energeticamente autosufficiente abbiamo optato per l'utilizzo di un sistema combinato di pannelli foto voltaici e generatore eolico. Queste due sono energie rinnovabili di cui l'Italia dispone in grande quantità!!!!!!!!!!!! -sole ed energia solare l’Italia è conosciuta come paese del sole ed anche Schio si hanno in media 252 giorni di sole all'anno. Disponendo anche di tetti con una superficie molto elevata e rivolti verso sud-est, l'utilizzo di pannelli solari da ottimi rendimenti. -vento ed energia eolica l'Italia è un paese dove nella maggior parte dei casi il vento non presenta particolare intensità. Schio è però un'eccezione. La sua posizione ai piedi di una valle lo rende un comune particolarmente ventoso se considerata un'altezza di 40/50 metri rispetto al suolo. Per 170/180 giorni all'anno la velocità del vento all'altezza indicata è superiore ai 6,3 m/s (dato arpav).

4-Consumo scuola, con sistemi solari e/o eolici

START

NO NO SI SI NO NO SI SI NO SI

4.1-Flow chart o diagramma a blocchi

Inizio attività scolastica ore 08:00

Richiesta di energia elettrica

Vento disponibile

Sole disponibile

Energia solare +

eolica sufficienti

La turbina eolica trasforma l' energia del vento in

energia elettrica

I pannelli solari trasformano le radiazioni solari in

energia elettrica

Energia solare sufficiente

Energia eolica sufficiente

Necessario lo sfruttamento

di risorse non rinnovabili ed inquinati

Nessun consumo di risorse non rinnovabili

e soldi pubblici inoltre nessun inquinamento

I diagrammi a blocchi ( detti in inglese: flow chart) rappresentano una descrizione grafica dell'argoritmo, ovvero la successione ordinata e finita di tutte le operazioni da compiere per raggiungere l'obbiettivo di un problema.

Esso consente di descrivere le differenti operazioni sotto forma di uno schema in cui le differenti fasi del processo e le diverse condizioni che devono essere rispettate vengono rappresentati da simboli grafici detti blocchi elementari. I blocchi sono collegati tra loro tramite frecce che indicano la cronologia. Per la loro struttura i diagrammi di flusso possono essere ricondotti alle mappe concettuali.

I diagrammi trovano la loro applicazione in diversi ambiti: in campo industriale schematizzano i processi, in campo economico vengono usati a supporto delle presentazioni per aiutare i destinatari a visualizzare meglio i contenuti, ma storicamente sono sempre stati usati nei linguaggi di programmazione, come il basic, per indicare la successione cronologica degli eventi.

I flow chart sono formati da simboli di forma diversa, ciascuna con un proprio significato:

I simboli

indicano il punto di partenza e quello di terminazione dell'argoritmo. Da " INIZIO" parte una sola freccia che raggiunge la prima istruzione e verso"INIZIO" non arriva alcuna freccia. Verso "FINE" arrivano una o più frecce,ma da esso non ne parte nessuna.

Il simbolo:

è detto di elaborazione e contiene al suo interno l'istruzione da eseguire(solitamente un'assegnazione di un valore o di un espressione ad una variabile);può avere una o più frecce in entrata,ma una sola di uscita.

Il simbolo:

viene utilizzato per rappresentare operazioni di immissione di dati(input) o di emissione di dati(output).

Il simbolo:

viene detto simbolo di decisione e, nella maggior parte dei casi,serve per rappresentare un'operazione di confronto tra due dati. Il simbolo di decisione è usato per stabilire se una proposizione è vera o falsa e in corrispondente delle frecce in uscita si trovano indicazioni del tipo si\no,vero\falso,V\F. Viene così definito il valore di un'espressione di tipo logico,cioè di una variabile a due valori a uno dei quali corrisponde il significato di condizione verificata,vero, e all'altro quella di condizione non verificata,falso. Il rombo ha un punto di entrata e due punti di uscita. Infine,è possibile,all'interno di un diagramma a blocchi,inserire alcuni commenti illustrativi che servono per dare maggiore chiarezza allo schema.

5-Premessa e generalità sul fotovoltaico Sviluppata alla fine degli anni Cinquanta nell'ambito dei programmi spaziali, la conversione foto voltaica è una delle tecnologie che si ritiene possano dare un contributo importante per soddisfare la crescente domanda mondiale di energia elettrica senza alcuna emissione di gas ad effetto serra. Su di essa, pertanto, si stanno concentrando investimenti ingenti sia nella realizzazione di impianti, sia in ricerca di nuovi materiali e tecnologie per ridurre i costi unitari di generazione del kWh prodotto. In particolare negli ultimi anni la potenza installata a livello globale, che era di appena 1.000 MW nell’anno 2000, sta crescendo a ritmi fortissimi. I principali organismi energetici internazionali stimano che nel 2020 la potenza fotovoltaica installata nel mondo possa raggiungere i 56.000 MW, con una produzione elettrica in grado di soddisfare quasi il 2% della domanda mondiale. A questo sviluppo non è esente l’Italia, ove in particolare la generazione distribuita sta conoscendo un boom inimmaginabile pochi anni fa. Nel biennio 2008-2009, ad esempio, nel nostro Paese sono stati installati circa 70.000 centraline fotovoltaiche. Si tratta di impianti di modesta potenza (fino ad un massimo di 20 kW) che consentono di trasformare la propria abitazione in una piccola centrale elettrica in grado di soddisfare le esigenze familiari e, contemporaneamente, di immettere energia nella rete pubblica.

Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che concorrono a captare e trasformare l'energia solare disponibile, rendendola utilizzabile sotto forma di energia elettrica. Questo avviene sfruttando un fenomeno fisico, noto come effetto fotovoltaico (cioè la capacità che hanno alcuni materiali semiconduttori opportunamente drogati di generare elettricità quando esposti alla radiazione luminosa). Quando i fotoni (le particelle di energia del sole) colpiscono una cella fotovoltaica, una parte di energia è assorbita dal materiale e alcuni elettroni, scalzati dalla posizione che occupano nella struttura atomica, scorrono attraverso il materiale semiconduttore (opportunamente trattato) producendo una corrente continua che può essere raccolta sulle superfici della cella. Più celle sono collegate in serie o in parallelo e impacchettate per formare un modulo, che rappresenta il componete base dell’impianto fotovoltaico. I sistemi fotovoltaici possono essere suddivisi in due categorie: quelli connessi alla rete elettrica (grid-connected) e quelli isolati (stand-alone). Nei primi, la corrente generata viene inviata ad un convertitore (inverter) dal quale esce sotto forma di corrente alternata, tale da poter essere poi trasformata in corrente a media tensione dal trasformatore, prima di essere immessa nella linea di distribuzione. I secondi invece, gli impianti isolati, possono alimentare carichi sia in corrente continua (senza la presenza di un inverter) sia in corrente alternata, ma sono in genere dotati di accumulo. In questi tipo di sistema fotovoltaico è necessario immagazzinare l'energia elettrica per garantire la continuità dell'erogazione anche

nei momenti in cui non viene prodotta. Questo avviene mediante accumulatori elettrochimici (batterie). Il sistema connesso in rete, invece, non è provvisto di sistemi di accumulo in quanto l'energia prodotta durante le ore di insolazione viene immessa nella rete elettrica; viceversa, durante le ore di insolazione scarsa o nulla il carico locale viene alimentato dalla rete. Il pannello foto voltaico è composto di vari moduli a loro volta composti di numerosissime celle. Una insieme di pannelli foto voltaici può essere collegato in serie per costituire una stringa. Il collegamento in parallelo di queste ultime va a formare un campo di pannelli foto voltaici. Il campo di pannelli può essere posizionato in vari luoghi a seconda dell’utilizzo e della potenza che ne si vuole ottenere. Nel caso di impianti di grande potenza la locazione ideale è quella di una distesa verde, ma il caso più comune è costituito dagli impianti dei privati cittadini o delle aziende di medie e piccole dimensioni, solitamente collocati sui tetti degli edifici. ''la cella''

La cella costituisce il dispositivo elementare alla base di ogni sistema fotovoltaico per la produzione di elettricità. Una cella fotovoltaica è, in sostanza, un diodo di grande superficie che, esposto ai raggi del sole, converte la radiazione solare in elettricità. La cella si comporta come una minuscola batteria e produce una corrente di 3 Ampere con una tensione di 0,5 Volt, quindi una potenza che sfiora 1,5 Watt. Le celle fotovoltaiche sono solitamente di

un colore blu scuro che deriva dall’ossido di titanio presente nel rivestimento antiriflettente, fondamentale per ottimizzare la captazione dell'irraggiamento solare. La loro forma è quasi sempre quadrata e la misura può variare da quella delle più comuni (10 x 10 centimetri, 12,5 x 12,5 centimetri o 15 x 15 centimetri) a quella delle più insolite (5 x 15 centimetri e 10 x 15 centimetri). Per la fabbricazione delle celle oggi si utilizzano principalmente il silicio cristallino, il silicio amorfo, l'arsenuro di gallio e telloluro di cadmio. Il flusso di elettroni è ordinato e orientato da un campo elettrico creato, all'interno della cella, con la sovrapposizione di due strati di silicio, in ognuno dei quali si introduce un altro particolare elemento chimico (operazione di drogaggio), fosforo o boro, in rapporto di un atomo per ogni milione di atomi di silicio. Di tutta l'energia che investe la

cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica. L'efficienza di conversione per celle commerciali al silicio cristallino è in genere compresa tra il 10% e il 20%. ''Il modulo''

Il modulo fotovoltaico, componente base dei sistemi fotovoltaici, è ottenuto dalla connessione elettrica di celle fotovoltaiche collegate in serie o in parallelo. Queste ultime sono assemblate fra uno strato superiore di vetro e uno strato inferiore di materiale plastico (il tedlar) e racchiuse da una cornice di alluminio. I moduli

fotovoltaici più comuni sono costituiti da 36 o 72 celle. Nella parte posteriore del modulo è collocata una scatola di giunzione in cui vengono alloggiati i diodi di by-pass e i contatti elettrici. Il modulo fotovoltaico ha una dimensione di circa mezzo metro quadro e le taglie normalmente in commercio vanno da 100 a 300 Watt di potenza . ''Il pannello''

Il pannello fotovoltaico è un insieme di più moduli collegati in serie o in parallelo in una struttura rigida. Più celle assemblate e collegate tra loro formano il modulo fotovoltaico e più moduli, montati su una struttura rigida, costituiscono il pannello fotovoltaico. Collegando tra loro più pannelli, in modo da ottenere la tensione e la corrente desiderate e unendoli ad un sistema di controllo e condizionamento della potenza (inverter), nasce l'impianto fotovoltaico.

'' La stringa''

Al fine di fornire la tensione richiesta, più moduli o più pannelli, a secondo della potenza che si richiede, sono collegati elettricamente in serie costituendo una stringa.

“Il campo'’

Il collegamento elettrico in parallelo di più stringhe costituisce il campo fotovoltaico. Nella fase di progettazione di un campo fotovoltaico devono essere effettuate alcune scelte che ne condizionano il funzionamento. Una scelta fondamentale è quella della configurazione serie-parallelo dei moduli poiché determina le caratteristiche

elettriche del campo fotovoltaico. Le stringhe di un campo possono essere disposte in file parallele con l'inclinazione desiderata. La distanza minima fra le file di pannelli non può essere casuale ma deve essere tale da evitare che l'ombra della fila anteriore copra quelli della fila posteriore. È quindi necessario calcolare la distanza minima tra le file in funzione dell'altezza dei pannelli, della latitudine del luogo e dell'angolo di inclinazione dei pannelli.

''L' inverter''

La corrente generata dai pannelli fotovoltaici è di tipo continuo. Poichè il sistema di distribuzione nazionale è in corrente alternata si utilizza un dispositivo elettronico, l'inverter, capace di trasformare l'energia elettrica da continua ad alternata. Il trasferimento dell'energia da una centrale fotovoltaica all'utenza avviene attraverso specifici dispositivi, necessari per trasformare e adattare la corrente prodotta dai moduli alle esigenze dell'utenza finale. Il complesso di questi dispositivi prende il nome di BOS (Balance of System) e comprende, oltre all’inverter, il trasformatore, i quadri elettrici e i sistemi ausiliari di centrale.

6-Premessa e generalità sul generatore eolico

Quella eolica è la fonte di generazione elettrica che sta registrando il maggior successo al mondo. Nel decennio 2000-2009 la potenza eolica installata ha conosciuto tassi di sviluppo straordinari, passando da poco più di 10.200 MW a circa130.000 MW. E le prospettive per il futuro sono ancor più incoraggianti: si stima infatti che le centrali eoliche raggiungeranno globalmente una potenza installata di 425.000 MW nel 2015. Oltre che con i grandi impianti di potenza, anche l’energia eolica si presta ad essere utilizzata in applicazioni digenerazione "distribuita". Cioè tramite aerogeneratori di piccola potenza (fino a 200 kW) utilizzati per alimentare utenze domestiche o commerciali e, contemporaneamente, generare energia da immettere nella rete nazionale. Oltre alle utenze residenziali in abitazione singola, sono particolarmente adatti a questa applicazione i settori dell'agricoltura, del turismo e della piccola e media impresa. Grazie al progresso tecnologico e all’introduzione dimeccanismi di incentivazione specifici, questi sistemi di generazione distribuita da fonte eolica si stanno sempre più diffondendo, sia pure limitatamente alle aree con adeguata ventosità. In ogni caso, mentre consentono di ottenere concreti benefici economici, il loro è comunque un contributo significativo alla riduzione delle emissioni di gas serra.

Un impianto eolico e' costituito da un gruppo di aerogeneratori di media (600-900

kW) o grande (>1MW) taglia, disposti sul territorio in modo da meglio sfruttare la risorsa eolica del sito; gli aerogeneratori sono connessi fra loro elettricamente attraverso un cavidotto interrato. All'impianto eolico e' associata una cabina-stazione di consegna che, a sua volta e' connessa alla rete elettrica nazionale. Gli aerogeneratori sono costituiti essenzialmente da una navicella o gondola, sostenuta da una struttura metallica, alla quale è connesso un rotore; il rotore è costituito dalle pale fissate su di un mozzo e progettate per sottrarre al vento parte della sua energia cinetica, per trasformarla in energia meccanica. Al soffiare del vento il rotore gira e aziona a sua volta il generatore elettrico, tramite un moltiplicatore di giri, che ha la funzione di trasformare l’energia meccanica in energia elettrica. Dal rotore, l’energia cinetica del vento viene trasmessa a un generatore di corrente collegato ai sistemi di controllo e trasformazione tali da regolare la produzione di elettricità e l’eventuale allacciamento in rete. L’energia elettrica prodotta in navicella viene convogliata al suolo attraverso cavi elettrici; sempre al suolo vengono inviati mediante opportuni cavi i segnali necessari per il controllo del corretto funzionamento dell’aerogeneratore.

6.1- Struttura generale di un generatore eolico ''l'aerogeneratore''

La tipica configurazione di un aerogeneratore è costituita da una struttura metallica di sostegno del tipo a traliccio o tubolare che porta alla sua sommità la gondola o navicella; nella gondola sono contenuti l'albero di trasmissione lento, il moltiplicatore di giri, l'albero veloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari. All'estremità dell'albero lento e all'esterno della gondola fissato il rotore, costituito da un mozzo, sul quale sono montate le pale. L'aereogeneratore funziona

già con un vento di circa 3 m/s (10 km/h) e raggiunge la massima potenza quando arriva a circa 17 m/s (50÷60 km/h). ''L' anemomentro''

L'anemometro è formato da un asse verticale e da tre coppette che “catturano” il vento. Comprende il sensore di velocità e di direzione. Il numero di giri al minuto viene registrato da un congegno elettronico che blocca automaticamente il generatore qualora la velocità del vento sia superiore ai 25÷30 metri al secondo. ''Il sistema di controllo''

Il sistema di controllo è formato da una serie di congegni computerizzati che servono a monitorare le condizioni di funzionamento dell'aerogeneratore e controllano il supporto-cuscinetto. Nell'eventualità di malfunzionamento il sistema di controllo blocca automaticamente l'aerogeneratore e invia al punto di tele conduzione dell'impianto, un avviso di intervento.

''Il supporto del cuscinetto''

Il moto della navicella (gondola) rispetto al sostegno e' realizzato mediante ingranaggi mossi da un attuatore che puo' essere di tipo elettrico o idraulico.

''L'alternatore''

Sull'albero veloce e' posizionato di norma un freno, a valle del quale si trova il generatore elettrico da cui dipartono i cavi elettrici di potenza. La soluzione da noi scelta, in quanto più prestante, è l' utilizzo del generatore asincrono ad avvolgimento, detto anche “duobly fed”. Il sistema consiste nell' utilizzo di un moltiplicatore di giri accoppiato ad un alternatore in corrente continua.

'' Il moltiplicatore di giri''

L'albero lento è collegato ad un moltiplicatore di giri da cui si diparte un albero veloce, che ruota con una velocità angolare data da quella dell'albero lento per il rapporto di moltiplicazione del moltiplicatore.

'' Il rototre''

Il rotore è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale (di norma 2 o 3, con un diametro indicativo che può variare da 40 a 50 metri, realizzate con materiali compositi rinforzati con fibra di vetro o materiali compositi di tipo innovativo) che possono ruotare ad una velocità superiore ai 200 chilometri orari. Il mozzo è collegato ad un primo albero, detto albero lento, che ruota alla stessa velocità angolare del rotore. Dato che i venti di intensità elevata si verificano per tempi molto brevi durante l'anno, non è economico adottare aerogeneratori con rotore a passo fisso e dimensionarli per sfruttare anche questi limitati periodi di forti venti. Infatti, il notevole aumento nel costo della macchina, dovuto alla grande resistenza delle pale ed alla elevata potenza di picco, non sarebbe compensato dal modesto incremento dell'energia elettrica prodotta. Questo aumento del costo può essere evitato limitando il processo di

conversione di energia dell'aerogeneratore in regime di vento molto forte e questa limitazione è di solito ottenuta adottando pale a passo variabile la cui regolazione consente di ridurre il rendimento aerodinamico del rotore. Il passo può essere variato in modo continuo o a gradini; nelle macchine più recenti di grossa taglia viene adottato un tipo di pala orientabile soltanto nella parte più vicina alla punta. ''La torre''

L'altezza media di una torre e' compresa tra i 40 e i 60 metri. La torre puo' essere costituita da una struttura metallica a forma tronco-conica (con una scala interna che permette le operazioni di salita e discesa per manutenzione) o da una struttura metallica reticolare a traliccio.

''Il trasformatore''

Il trasformatore e' una macchina elettrica statica che sfruttando il fenomeno dell'induzione elettromagnetica trasforma i parametri della potenza in ingresso, tensione e corrente, in valori di corrente e tensione di uscita prestabiliti a potenza costante (a meno delle perdite di trasformazione). Schematicamente un trasformatore e' costituito da due avvolgimenti, ciascuno formato da un certo numero di spire di filo di rame avvolte attorno a un nucleo di ferro di elevata permeabilita' magnetica, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l'altro e' collegato ai circuiti di utilizzazione.

7-Profili Il cuore di un aereogeneratore è costituito dalla turbina eolica,detta anche rotore, che è deputata alla conversione dell' energia cinetica posseduta dal flusso, il vento, in energia meccanica disponibile all' asse del generatore. Il principio di funzionamento che permette al rotore di girare è lo stesso che permette agli aerovelivoli di volare, ed è dato dalla particolare geometria della pala derivante dai profili alari. Il funzionamento dipende dalla distribuzione di pressione che si crea intorno al profilo delle pale e che genera un sistema di forze riconducibili ad una portanza aereodinamica perpendicolare alla velocità del flusso, una resistenza aereodinamica parallela alla velocità del flusso e un momento.

Queste forze, in funzione della loro distribuzione e della lunghezza della pala, rendono disponibile all' asse della macchina una coppia e quindi, per effetto della rotazione, del lavoro utile che attraverso un albero di trasmissione si trasferisce al generatore elettrico. Per il principio di conservazione dell' energia, l' energia meccanica disponibile all' albero sarà una parte dell' energia del flusso che investe il rotore. A causa della bassa densità dell' energia disponibile nel vento, le turbine eoliche necessitano di intercettare flussi di portata elevati per erogare potenze di interesse applicativo. Ne consegue che le turbine eoliche hanno sempre dimensioni molto grandi. L'energia cinetica specifica (J/kg) presente in un flusso dipende dal quadrato della sua velocità secondo la formula: e=v2

/2 La potenza associata ad un flusso di energia e e volocita v che attraversa una superficie S, è pari a: P=1/2ρ v3 S

La geometria della pala cambia al variare del raggio, perchè deve avere la stessa portanza lungo tutto il braccio. Essendo la velocità periferica delle pale crescente dal mozzo verso l'estremità, per mantenere costante la portanza dovrà essere per forza modificata la geometria, ed è per questa ragione che l'elica si presenta svergolata, cioè con un calettamento variabile dal mozzo verso l'estremità. Cioè il calettamento diminuisce man mano che aumenta sul profilo dell'elica la velocità periferica allontanandosi dal mozzo. I profili alari sono definiti in modo univoco dall' ex agenzia governativa americana NACA(National Advisory Committee for Aeronautics ), fondata il 3 marzo 1915 per intraprendere, promuovere ed istituzionalizzare la ricerca aeronautica proseguì il proprio lavoro di ricerca fino al 1º ottobre 1958, quando a seguito della persa supremazia in campo spaziale a scapito dei sovietici, si rese necessaria una rivoluzione nel programma spaziale americano. Così, il 1º ottobre 1958 l'agenzia fu smembrata, e le proprie infrastrutture e il proprio personale passarono alla neo-costituita National Aeronautics and Space Administration: la NASA.

8-Progettazione di massima degli organi meccanici DIMENSIONAMENTO RUOTE DENTATE MOLTIPLICATORE Mat. 18CrNiMo5 (da cementazione) Rm=1300 HV=751

Dimensionamento, ad usura, ruota veloce: Ore di funzionamento:

Calcolo modulo:

(ruote molto precise)

Forze:

Dimensionamento, ad usura, ruota lenta:

Forze:

Coppia ruote 3/ 4

DIMENSIONAMENTO ALBERO LENTO Mat. 51CrV4 Rm=1000

Scelgo profilo scanalato UNI 8954 8x36x42

d=36mm n°denti=8 D=42mm Prendo quindi un profilato della serie R20 con d=45mm

Scelgo cuscinetto SKF 3208E

d=40mm D80mm b=30,2mm

9-Valenza dell' iniziativa Si tratta di un progetto per la realizzazione di un impianto di generazione elettrica con l'utilizzo delle fonti rinnovabili: solare attraverso la conversione fotovoltaica ed eolico attraverso la conversione eolica. Il progetto prevede la realizzazione di un impianto eolico di 10 KV connesso in rete e di uno fotovoltaico connesso in rete della potenza totale di 20 kW, da installare sul tetto dell'Istituto Tecnico Industriale Statale “De Pretto” di Schio. L'edificio presenta un tetto a shed inclinato di 12° e orientato verso sud-est, il che lo rende particolarmente interessante per un'applicazione fotovoltaica. Nell'ipotesi qui considerata, si suppone di installare i moduli fotovoltaici, in silicio policristallino, direttamente ancorati alla parte superiore dello shed, in modo da non avere problemi di ombreggiamento e di limitare al massimo la spesa per le strutture di sostegno. I calcoli effettuati in questo progetto preliminare sono relativi ad una potenza installata di 20 kW, anche se la dimensione del tetto permetterebbe l'installazione di un impianto di circa 280 kW.

10-Vendita o scambio sul posto L'energia prodotta e direttamente auto-consumata porta ad una diminuzione dei consumi contabilizzati e quindi ad un risparmio economico pari al costo del kWh. L'energia prodotta ma non immediatamente consumata viene immessa in rete e remunerata secondo due diversi meccanismi, la vendita o lo scambio sul posto (SSP). Senza entrare nei dettagli, mentre la vendita comporta un prezzo del kWh definito dall'Autorità per l'Energia e in genere inferiore a quello di acquisto, con lo scambio sul posto si vende circa allo stesso prezzo di acquisto ma col vincolo di non produrre di più di quanto consumato. Nel caso specifico si ipotizza di optare per la vendita tramite il cosiddetto “ritiro dedicato”.

11-Trattamento termico di carbo-cementazione sui denti delle ruote dentate ''La cementazione'' la cementazione è un trattamento temico di arricchimento di un acciaio con un determinato elemento chimico. L'arricchimento avviene in genere soltanto sulla superficie del pezzo. Nel nostro caso si andrà ad arricchire un acciaio a basso contenuto di carbonio con il carbonio stesso. Altri trattamento termici di arricchimento superficiale sono: la nitrurazione ionica

che utilizza come elemento arricchente l'azoto, la fosfatazione che utilizza il fosforo ecc... Tabella dei trattamenti termici di arricchimento superficiale di pezzi meccanici: Tipo di trattamento Elemento utilizzato

Carbo-cementazione Carbonio

Nitrurazione ionica Azoto

Fosfatazione Fosforo

Cromizzazione Croco

Silicizzazione Silicio

Calorizzazione Alluminio

Sulfinizzazione Zolfo

Sheradizzazione Zinco La carbo-cementazione è il trattamento termico di arricchimento più diffuso. La condizione perchè sia possibile eseguirla è che il carbonio presente nell'acciaio da arricchire sia C<0,2% Come si può vedere dal grafico la cementazione è costituita di due parti: una

tempra ad alta temperatura ed un rinvenimento di distensione. Con questo trattamento termico si trasforma in martensite solamente la parte esterna del materiale, è per questo motivo che si deve utilizzare un acciaio con una percentuale di carbonio massima C<0,2%

Alla fine del trattamento termico si ottiene, in genere, sulla superficie del pezzo una percentuale di carbonio pari a C=0,8%

Profondità e tempi per la cementazione: Temperatura T [°C] Tempo t [ore] Profondità [mm]

900 6 1,5

950 5 1,5

1000 4 1,5 NB: nel caso dei 950°C e dei 1000°C c'è il pericolo di un ingrossamento della grana austenica! Di seguito si indicano gli acciai da cementazone normalmente usati: − C10 − C15 − 16CrNi4 − 20CrNi4 − 18CrNiMo5 Cementazione degli ingranaggi: Per le ruote dentate del nostro moltiplicatore di giri abbiamo scelto la cementazione gassosa. Questo metodo è il più diffuso dal momento che è relativamente semplice da controllare. Come gas va utilizzato del monossido di carbonio e dell'azoto. La temperatura del forno dovrà essere di 900 °C. per evitare la decarburazione nel forno non deve esserci, nella prima fase, un potenziale di carbonio superiore al 2.06%, in seguito questo andra ulteriormente ridotto fino al valore di 0,8%. Dopo la carbo-cementazione: Per migliorare il cuore e la superficie del materiale abbiamo deciso di fare un trattamento di tempra doppia. Questo trattamento, anche se più costoso della tempra singola o di quella diretta, ci consente di ottenere degli ingranaggi privi di imperfezione, garantendoci che i pezzi possano durare a lungo senza dover essere sostituiti.

12-Visual impact of wind farm An environmental impact assessment is an assessment of the possible positive or negative impact that a proposed project may have on the environment, together consisting of the natural, social and economic aspects. Worldwide there are now many thousands of wind turbines operating, with a total nameplate capacity of 194,400 MW.Europe accounted for 48% of the total in 2009. In 2010, Spain became Europe's leading producer of wind energy, with 42,976GWh. Spain with wind farms covering 53% of the total demand. The positive effect of a wind farm are easy to understand, compared to the environmental effects of traditional energy sources, the environmental effects of wind power are considerably minor. Wind power consumes no fuel, and emits no air pollution, unlike fossil fuel power sources, it uses an renewable energy source so there are no gas emissions that cause greenhouse effect and global warming. In particular a wind farm does not leave in the atmosphere:

� CO2 (Carbon dioxide ) � SO2 (Sulphur dioxide ) � NOx (Nitrogen oxide)

In the following chart is indicated the saved emissions for a small wind plant(about 20 kW): Moreover, the energy consumed to manufacture and transport the materials used to build a wind power plant is equal to the new energy produced by the plant within a few stretch of operation. A 2006 study found the CO2 emissions of wind power to range from 14 to 33 tonnes per GWh of energy produced. The negative effect are: firstly visual impact becouse wind turbine can be very big so it damages the landscape. A wind farm is made up of a lot of towers therefore the area to be used is large, because the towers must be spaced out together, but the real occupied ground is more or less 3% , thus inside a wind farm we could easily grow vegetables or breed livestock. For example, in the U.S., farmers may receive annual lease payments from two thousand to five thousand dollars per turbine. Secondly an other problem is the impact on wildlife, some people against the

installation of wind turbine assert such installations are dangerous for birds. However, a study estimates that wind farms are responsible for 0.3 to 0.4 fatalities per gigawatt-hour of electricity while fossil-fueled power stations are responsible for about 5.2 fatalities per GWh, then the number of birds killed by wind turbines is also negligible when compared to the number of birds killed as a result of other human activities such as traffic, hunting, electric power transmission and high-rise buildings. Moreover, in the UK, where there are several hundreds of turbines, about one bird is killed per turbine per year; but given that 10 million per year are killed by cars alone, so the Royal Society for the Protection of Birds concluded that "The available evidence suggests that appropriately positioned wind farms do not pose a significant hazard for birds." To reduce also the disadvantages we have just explained, often electric companies opt for offshore wind farms. Offshore wind power refers to the construction of wind farms in bodies of water to generate electricity from wind. If compared to land ones, offshore winds offer better speed, therefore wind power’s contribution in terms of electricity supplied is higher and turbines are less obtrusive than onshore ones. In the UK a comprehensive government environmental study of coastal waters concluded that there is scope for between 5,000 and 7,000 offshore wind turbines to be installed without an adverse impact on the marine environment. To minimize wind power visual impact we have thought to place our wind turbine in a central position such as close to the machine shop, so it is less visible from the street. In our opinion there is no comparison between eolic power plants and the others conventional power plants like coal or nuclear power plants. We think that the trade-off offered by wind farms is very positive, it's better giving up visual pleasure than to pollute the air and contaminate the land surrounding gasworks.

As for the solar power we have no visual impact being all PV cells located on the school's roof.

13-In quanto tempo si ripaga un sistema fotovoltaico?

I pannelli solari fotovoltaici hanno un' efficienza di conversione che arriva fino al 32,5% nelle celle da laboratorio. Nella pratica, una volta ottenuti i moduli dalle celle e i pannelli dai moduli e una volta montati in sede, l'efficienza media è di circa il 12%.

Questi pannelli però, non avendo parti mobili o altro, necessitano di pochissima manutenzione, in sostanza vanno solo puliti con un semplice getto d'acqua una o due volte all'anno per rimuovere la polvere o eventuali foglie trasportate dal vento.

La durata operativa dei pannelli fotovoltaici è stimata in circa 30 anni. Si potrebbe tuttavia obiettare che il loro costo è elevato. Sicuramente questo è vero, ma bisogna calcolare che un pannello fotovoltaico in un posto come l' italia che è ricchissima di sole non impiega più di 15 anni a ripagarsi. C'è poi un altro aspetto molto importante, e cioè l'inquinamento risparmiato grazie a questo sistema!

Il secondo ovvio problema di questo genere di impianto è che l'energia viene prodotta solo durante le ore di luce e quindi non è adatta per tutte le situazioni. È sicuramente vero che la luce solare non è sempre presente e che l' elettricità è una forma di energia difficilmente accumulabile in grandi quantità. Va tuttavia rilevato che la produzione da solare è maggiore proprio nei momenti di maggior richiesta. La nostra scuola infatti consuma energia elettrica quasi esclusivamente nelle ore che vanno dalle 08:00 alle 16:00 con una diminuzione fino alle ore 19:00 cioè durante il giorno. Inoltre la ''potenza'' del sole è maggiore durante i mesi caldi, ed è proprio in corrispondenza di questi che l'energia è maggiormente richiesta a causa dei sistemi di condizionamento.

I benefici ambientali comunque, non bastano da soli a motivare un investimento considerevole come quello della realizzazione di un impianto fotovoltaico se non sono supportati da un sufficiente rendimento finanziario. Per questo motivo il D.M. 19/02/2007 ha previsto il pagamento di un incentivo per la produzione di energia fotovoltaica. Essendo un incentivo alla produzione, viene riconosciuto su tutta l'energia prodotta, indipendentemente dal fatto che questa venga poi auto-consumata o ceduta al gestore della rete elettrica. L'incentivo riconosciuto dipende dalla potenza dell'impianto, dalla data di entrata in esercizio e dal livello di integrazione architettonica ed è fisso per 20 anni. L'installazione di questo sistema, a queste condizioni, diventa conveniente.

13.1-Calcoli economici Ad un impianto di questo tipo sono associati i seguenti costi: − installazione dell'impianto − manutenzione ordinaria e straordinaria ed i seguenti ricavi: − incentivo in conto energia − risparmio sui consumi − remunerazione per la vendita di energia In aggiunta si dovrà tener conto degli aspetti fiscali, che comportano dei risparmi legati ai costi e a degli oneri sui ricavi. In questo calcolo preliminare si è considerata come soggetto responsabile dell'impianto la Provincia di Vicenza che, in quanto ente locale, ha diritto ad una tariffa del conto energia più favorevole; nel caso in cui invece il soggetto responsabile sia la scuola, le stime vanno corrette al ribasso.

Mese gennaio

febbraio

marzo

aprile

maggio

giugno

luglio

agosto

settembre

ottobre

novembre

dicembre

energia irraggiata sul piano dei moduli (kWh/mq)

49,1 67,81

111,9 133,1

168,8 177,5

190,8

173,6 132,9

62,47 55,35

49,19

Costo impianto (iva inclusa) 70400 euro

Manutenzione ordinaria 1° anno 300 euro

Manutenzione straordinaria 2500 euro

Costo assicurazione 1° anno 200 euro

Altri costi 0.00 euro

Valore incentivi statsali 55,00%

Prezzo reale iva inclusa 31680 euro

14-In quanto si ripaga il sistema eolico? Il costo di installazione si aggira attorno agli 1,5 euro per watt (per confronto, un impianto fotovoltaico ha un costo di circa 5 euro per watt).

Per le turbine negli anni passati ci sono stati aumenti dei costi a causa dell'aumento del prezzo delle materie prime, ossia dei materiali metallici di cui sono composte. Nel 2008 il costo in terraferma era di 1,38 euro per watt, con un aumento del 74% relativo ai tre anni precedenti. Nei sistemi off-shore il costo era di 2,23 euro, con un incremento del 48% rispetto ai tre anni precedenti. Tuttavia oggi nel mondo e particolarmente negli Stati Uniti il costo delle turbine sta diminuendo velocemente per vari motivi tra cui la forte competizione del settore. Oggi si è arrivati nel secondo semestre del 2010 a prezzi medi per grandi commesse inferiori a 1 euro per watt. Dopo anni in cui il costo è salito, adesso (2010/2011) siamo in presenza di prezzi calanti.

Tuttavia questi prezzi riguardano i sistemi eolici con produzione superiore ai 600 Kwh, mentre il nostro è un mini-eolico da 10 Kwh!

Il prezzi dei mini eolici sono solitamente abbastanza elevati nella fascia di potenza 20-100 Kwh, ma fortunatamente nella fascia di potenza molto ridotta, dai 2Kwh, ai 15Kwh il prezzo è di circa 1,98 euro/w.

La nostra pala viene quindi ad avere un costo di:

− 19800 euro (iva inclusa, ma senza incentivi statali)

− 8910 euro ( inclusa iva ed incentivi dello stato)

l'impianto si ripaga quindi nel giro di 5 anni!, senza calcolare il risparmio ambientale!!

Noi abbiamo deciso di posizionare il generatore eolico sul centro del tetto della scuola. Questo perché, così facendo, possiamo sfruttare una torre di appena 10 metri di altezza, e la posizione nel centro del tetto limita la visibilità del sistema!

Bibliografia Caffarelli A. De Simone G. D'Amato A. Vegelli V. Sistemi eolici progettazione e valutazione economica, Maggioli Editore, Milano, 2009 Castelnuovo R. Trezza F. Vigotto R. Vento per l' energia, Carrana, Roma, 1995 Bruce A. Energia solare manuale di progettazione, Franco Muzzio & c. editore, Padova, 1980 Finzi B. Lezioni di Aereodinamica, Libreria editrice politecnica Tamburini, Milano, 1960 Caligaris L. Fava S. Tomasello C. Manuale di Meccanica, Hoepli, Milano, 2006 Baldissini L Vademecum per disegnatori e tecnici, Hoepli, Milano, 2006 Internet