LO SVILUPPO DELL’EOLICO DI PICCOLA TAGLIA

LO SVILUPPO DELL’EOLICO DI PICCOLA TAGLIAL’energia eolica: una nuova sfida per l’industria italiana

Sabato 17 Maggio 2014, Fiere delle Marche - PESARO

Prof. Ing. Renato RicciDipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche

Università Politecnica delle Marche

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La produzione di energia dal vento nella storia -1

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700 A.D.: Il Mulino a Vento PersianoDocumenti certi mostrano che già in epoca persiana vennero introdottisistemi eolici per la macinatura del mais, il pompaggio dell’acqua ed ilraffreddamento delle case. Questo tipo di generatori era ad asseverticale e sostanzialmente basato sulla resistenza aerodinamica di velerettangolari. Dai reperti pervenuti, è possibile notare come non fossepossibile orientare il sistema eolico con la direzione del vento; ilfunzionamento era infatti garantito solo nelle situazioni in cui il ventogiungeva in direzione allineata con l’apertura della camera dicontenimento della girante. Nel caso della macinatura, alla base dellagirante era collegata una macina in pietra.Questa tipologia di mulino fu largamente utilizzata nell’Asia centrale edorientale, sino alla Cina e all’India.

1700 B.C.: Prima Testimonianza StoricaIl primo reperto archeologico di mulino a vento è statoidentificato in Mesopotamia (Iran-Iraq). Da fonti storichesembrerebbe che il re di Babilonia Hammurabi tento diutilizzare il vento per l’irrigazione dei campi mediantegeneratori ad asse verticale, che avevano deflettori mobili.

LO SVILUPPO DELL’EOLICO DI PICCOLA TAGLIA


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1270: Post Mill (Mulino a Palo).Le prime informazioni di mulini a vento in Europa risalgono al 1200.La configurazione dei Post Mill prevedeva lo sviluppo dellastruttura del mulino attorno ad un singolo albero centrale checonsentiva la rotazione di tutto l’insieme. Per garantirel’allineamento alla direzione del vento il mugnaio si occupava digirare la struttura mediante una lunga asta di comando. Nellastruttura, il moto rotatorio dell’albero orizzontale della giranteveniva convertito da ingranaggi in legno per ottenere il motorotatorio dell’albero verticale che trascinava le macine di pietra.

1219: CinaUna prima rappresentazione di generatore eolico utilizzato inCina per il pompaggio di acqua e la macinatura del grano,risale a Yehlu Chhu-Tshai nel 1219. Analogamente ai mulinipersiani, quelli cinesi erano ad asse verticale, ma in aggiuntaavevano la possibilità di regolare la posizione delle vele inrelazione alla direzione del vento. Successivamente si hannonotizie e rappresentazioni di mulini ad asse orizzontale usatiper il pompaggio dell’acqua.



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Tower Mill (Mulino a Torre)Alla fine del 14° secolo lo Smock Mill venne sostituito dal mulino atorre, che aveva la struttura principale in mattoni invece che inlegno. Il vantaggio della struttura in mattoni era chiaramente legatoalla maggiore solidità, che consentiva strutture più imponenti, girantipiù grandi e la possibilità di suddividere l’interno del mulino in piùpiani destinati a vari usi. Erano quindi previsti il locale per lamacinatura, quello per la rimozione della pula ed il magazzino.Alcuni di questi mulini sono in uso ancora oggi.

14° secolo: Smock Mill (Mulino a Grembiule)Successivo al Post Mill è lo Smock Mill, che si diffuseprincipalmente in Olanda. Il corpo principale in legno erafisso rispetto al suolo ed accoglieva al suo interno imacchinari per la macinatura. La parte superiore delmulino, in cui si trovava la girante, era invece svincolata dalcorpo principale per consentire l’allineamento al vento.


Questa sceltaprogettualeconsentì direalizzaremulini piùlarghi ed alti,con laconseguentepossibilità diavere pale piùlunghe.


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1888: Produzione elettrica su larga scala - Charles BrushIl primo tentativo di produrre energia elettrica su unalarga importante è attribuito a Charles Brush nel 1887 inOhio, USA. La turbina eolica era ad asse orizzontale, conun rotore di 17 metri di diametro, ed un hub a 18 metri dialtezza. La solidità del rotore era molto elevata e lapotenza nominale era di 12 kW. La produzione elettricaera destinata ad autoconsumo ed al caricamento dibatterie.

1887: Generazione elettrica da turbina eolica; JamesBlyth.La prima turbina eolica utilizzata per la produzione dienergia elettrica fu progettata a Glasgow dal Prof. JamesBlyth. Essa era un generatore eolico ad asse verticaleavente un diametro di 17 metri.Le pale erano superfici concave funzionanti a resistenza.



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1931: La turbina DarrieusNel 1931 l’ingegnere aeronautico francese Georges JeanMarie Darrieus costruì e brevettò la turbina eolicaDarrieus. La turbina eolica è di tipo ad asse verticale, èutilizzata largamente anche oggi e si basa sullosfruttamento della portanza alare.

1891: Primi accorgimenti aerodinamici - Poul La CourPoul La Cour fu il primo a sviluppare i generatori eoliciintroducendo i primi principi di sviluppo aerodinamico.La Cour (Danese) fu uno dei pionieri della modernaaerodinamica e condusse molti dei suoi studi in una propriagalleria del vento. La Cour si dedico al problemadell’immagazzinamento dell’energia elettrica, convertendol’elettricità prodotta dalla turbina in idrogeno medianteelettrolisi. Tra il 1891 ed il 1918 costruì più di 100 generatorieolici con taglie comprese fra 20 e 35 kW.

1920: La Teoria del Disco Attuatore di Betz



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1941: Prima Turbina Eolica Multi-MegawattNel 1941 Smith-Putman realizzò la prima turbina eolicamultimegawatt al mondo. La sua potenza nominale era di1.25 MW, era ad asse orizzontale, aveva due pale centinateper un diametro di 54 m, un’altezza di 37 m e un rotore ditipo downwind. La turbina era connessa ad un generatoreelettrico sincrono e l’angolo di pitch delle pale veniva variatoper mantenere costante la velocità di rotazione. Perproblemi meccanici ad una pala, la turbina lavorò solamente1100 ore; alla rottura infatti non venne riparata per lascarsità di materiali durante la seconda guerra mondiale. Civollero 40 anni per vedere una turbina eolica di potenzamaggiore.



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1978: Inversione del senso di rotazioneA partire dal 1978, per uniformare la percezione delle turbineeoliche, si inizio a produrre le turbine ad asse orizzontale con unmoto orario anziché antiorario.

1980: Il primo parco eolicoIl primo parco eolico risale al 1980, nel sud del New Hampshire (USA)ed era costituito da 20 macchine con potenza nominale di 30 kW

Anni ‘90: Diffusione delle turbine multi megawattA partire dai primi anni novanta la riduzione dei costi delle turbinemultimegawatt rese più competitive queste macchine che iniziaronoa diffondersi in Olanda, Germania e Danimarca.

2008: Realizzazione della turbina su terra più grande (7 MW)Nel 2008 la Enercon ha costruito la più grande turbina eolica su terra:la E-126, con 7.5 Megawatt di potenza nominale, un’altezza dell’hubdi 135 m ed un rotore di 127 m.

2012: Realizzazione del prototipo offshore più grande (7 MW)La Vestas realizza il primo prototipo della turbina offshore V164 da 7MW. La turbina ha un diametro del rotore di 164 m, una velocità diavvio di 4 m/s, una velocità di rotazione nominale di 10.5 RPM ed unpeso della pala di 35 tonnellate. L’inizio della produzione è previstoper il 2015

2011: Installazione della turbina offshore più grande (5 MW)Il 22 marzo 2011 è stata installata presso la Ormonde Offshore WindFarm, nei mari irlandesi, la turbina Repower 5M da 5 Megawatt. Ilrotore ha un diametro di 126 m, un hub a 100 m e una velocità dirotazione fra 7.7 e 12.1 RPM.

2014: Realizzazione del prototipo onshore più grande (8 MW)Vestas ha annunciato il funzionamento del prototipo V164-8.0-MWon-shore presso il sito di prova danese Danish National Test Centerfor Large Wind Turbines ad Østerild. La turbina è dotata di una torredi sostegno da 140 m di altezza.


Potenzialità eoliche globali


Potenzialità eoliche di alcuni paesi e mari europei

From the European Wind Atlas. Copyright © 1989 by Risø National Laboratory, Roskilde, Denmark.


Atlante eolico del CESI

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Velocità media annua a 25 m dal suolo

Mappa delleinstallazionieoliche inItalia

Fonte: Atlaeolico del RSE (Ricerca Sistema Energetico) LO SVILUPPO DELL’EOLICO DI PICCOLA TAGLIA

Potenzialità eoliche del Mare Adriatico

Source: POWERED European IPA Project 2013by DIISM, Università Politecnica delle Marche, Italy.

Year: 2008Height: 90 [m] SML


Direttiva 2009/28/CEsulla promozione dell’uso dell’energia da fonti

rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazionedelle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE

Definisce “energia da fonti rinnovabili” l’ energia provenienteda fonti rinnovabili non fossili, vale a dire energia eolica,solare, aerotermica, geotermica, idrotermica e oceanica,idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processidi depurazione e biogas;

L’obiettivo generale obbligatorio è nel raggiungimento di unaquota pari almeno al 20 % di energia da fonti rinnovabili nelconsumo finale lordo di energia della Comunità Europea nel2020.

Ogni Stato membro assicura che la propria quota di energiada fonti rinnovabili in tutte le forme di trasporto nel 2020 siaalmeno pari al 10 % del consumo finale di energia nel settoredei trasporti nello Stato membro.

Ogni Stato Membro dovrà incrementare la produzione dienergia da Fonte Rinnovabile secondo quanto riportato inTabella e su un periodo di 10 anni: 2010-2020. Le percentualisono basate sul Consumo Finale di ogni Stato ed è accettatauna messa in funzione degli impianti al massimo entro il2022.

Entro il 2020 il 34% del consumo europeo di energia elettricadovrà essere soddisfatto dalla produzione di impianti basatisu fonti rinnovabili; l’energia eolica dovrà soddisfare almenoil 14% del consumo.

13 LO SVILUPPO DELL’EOLICO DI PICCOLA TAGLIA

Position Paper dell’Italia(10/09/2007)

Solare FV integrato

Solare FV a terra (100 kmq diterritorio)

Solare Termodinamico (20 kmq diterritorio)

Geotermico a media temperaturaed alte profondità

Biomasse da RSU e residuiindustriali

Moto marino costiero

Azioni per la produzione dielettricità da FER

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Consumo di elettricità da fonte rinnovabile al 2020 in risposta alNational Renewable Energy Action Plans

Il 34% dell’energia elettricaconsumata all’interno della EU27,prevista in circa 3529 [TWh],dovrà provenire da Fonterinnovabile secondo i contributiseguenti:1. Il 14 % dal vento2. Il 10.5 % dall’acqua3. Il 6.7 % dalle Biomasse4. Il 2.4 % dal solare fotovoltaico5. Lo 0.5 % dal solare a

concentrazione6. Lo 0.3 % dal Geotermico7. Lo 0.2 % dalle maree e dalle

onde


Capacità eolicaeuropea

16

Resto d’Europa: 4922 [MW]

Cina: 91424 [MW]

Nord America: 70885 [MW]

Sud America: 3505 [MW]

Totale Globo: 318137 [MW]

Consumo elettrico in Italia:328.2 [TWh]

Produzione netta nazionaledi elettricità : 287.8 [TWh]1. Wind: 13.3 [TWh]2. FV: 18.6 [TWh]3. Hydro: 43.3 [TWh]4. Geothermal: 5.3 [TWh]


Produzione netta di energia elettrica in Italia

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Produzione Netta (GWh)

ANNO 2011


ANNO 2012


ANNO 2013


ANNO 2014(fino al 30/04/2014)

Termoelettrica 218500 207327 182528 54280

Idroelettrica 47202 43256 52515 18339

Geotermica 5300 5252 5305 1789

Eolica 9774 13333 14886 6148

Fotovoltaica 10668 18637 22146 6279

TOTALE 291444 287805 277380 86835

Potenza (MW)

ANNO 2011

Potenza (MW)

ANNO 2012

Potenza (MW)

ANNO 2013

Termoelettrica 76287 77831 N.D.

Idroelettrica 21736 21880 N.D.

Geotermica 728 728 728

Eolica 6918 8119 8551

Fotovoltaica 12773 14419 18216

Ore equivalenti

ANNO 2011

Ore equivalenti

ANNO 2012

Ore equivalenti

ANNO 2013

Termoelettrica 2864.2 2663.8 N.D.

Idroelettrica 2171.6 1977.0 N.D.

Geotermica 7280.2 7214.3 7287.1

Eolica 1412.8 1642.2 1740.8

Fotovoltaica 835.2 1292.5 1215.7 Fonte:TERNALO SVILUPPO DELL’EOLICO DI PICCOLA TAGLIA

Produzione mensile in ITALIA (2013)

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* Calcolata al netto dei pompaggi Fonte:TERNA

Il mix eolico-FV funziona bene in quanto la carenza di ventoestiva è compensata da un maggiore soleggiamentogenerale. L’idroelettrico si mantiene quasi costante nel corsodell’anno, grazie alla migliore programmabilità della fonterinnovabile. La quota di offerta FER sul totale nazionale dienergia elettrica prodotta ammonta al 34%, di cui il 5.3% èimputabile all’eolico e circa lo 8% al FV.


Impianti eolici di piccola taglia in esercizio

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Potenza < 200 [kW]

(*) Ultimo aggiornamento: 31/03/2014

Fonte:GSE


Contributo regionale per Impianti eolici di piccola taglia

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Potenza < 200 [kW]

Ultimo aggiornamento: 31/03/2014Fonte:GSE


Decreto Legislativo 29 Dicembre 2003 n.387

21

Attuazione della Direttiva 2001/77/CE; Razionalizzazione e semplificazione delle procedure autorizzative:

l’Autorizzazione Unica; Approvazione di Linee Guida per lo svolgimento delle procedure

autorizzative (completato solo in parte); Gli impianti di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile

possono essere ubicati in zone agricole senza variante urbanistica; Le opere per la realizzazione degli impianti alimentati da fonti

rinnovabili, nonché le opere connesse e le infrastruttureindispensabili alla costruzione ed all’esercizio degli stessi impiantisono di Pubblica Utilità ed Indifferibili ed Urgenti;

E’ possibile attivare la procedura espropriativa sulle aree destinatealla realizzazione degli impianti di cui sopra.


Gazzetta Ufficiale 18 Settembre 2010 Serie Speciale n.219

22

Linee guida per il procedimento di cui all'articolo 12 del decreto legislativo 29dicembre 2003, n.387 per l'autorizzazione alla costruzione e all'esercizio di impiantidi produzione di elettricità da fonti rinnovabili nonché linee guida tecniche per gliimpianti stessi.

Definisce dei criteri di inserimento Paesaggistico ed individua in termini generali la tipologia diAree vietate alle Fonti Rinnovabili

Ai fini dell'applicazione dell'articolo 12, commi I e 3, del decreto legislativo 387 del 2003, tra leopere connesse sono compresi anche i servizi ausiliari di impianto e le opere necessarie allaconnessione alla rete elettrica, specificamente indicate nel preventivo per la connessione. Ovveronella soluzione tecnica minima generale, redatti dal gestore della rete elettrica nazionale o didistribuzione ed esplicitamente accettati dal proponente.

Le presenti linee guida non si applicano agli impianti offshore per i quali l'autorizzazione èrilasciata dal Ministero delle infrastrutture e dei trasporti, sentiti il Ministero dello sviluppoeconomico e il Ministero dell'ambiente e della tutela del territorio e del mare, con le modalità dicui all'articolo 12, comma 4, del decreto legislativo n. 387 del 2003 e previa concessione d'uso deldemanio marittimo da parte della competente autorità marittima


I meccanismi di incentivazione (D.M. 6/07/2012)

Taglia (kW) Tariffa €/MWh Durata

1<P≤20 291

20<P≤200 268

200<P≤1000 149

1000<P≤5000 135

P>5000 127

1000<P≤5000 176

P>5000 165

20 anni

25 anni

ON SHORE

OFF SHORE

1. Si applica alle FER diverse dal FV di potenza superiore a 1 kW;2. ACCESSO DIRETTO – fino a 60 [kW];3. REGISTRO – da 60 a 5000 [kW];4. ASTA – oltre 5000 [kW];5. Tariffa omnicomprensiva fino a 1 [MW];6. Incentivo senza ritiro produzione oltre 1 [MW]7. Incentivazione entro 18 mesi dalla dat di entrata in esercizio8. Durata di incentivazione come da tabella seguente9. Costo cumulato dell’incentivo per tutte le FER, escluso il FV, < 5800 M€/anno.


Costo annuo incentivi per FER diverse dal fotovoltaico

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Fonte:GSE

Costo annuo

incentivazioni [€ Mln]CIP6/92

Certificati Verdi

D. Lgs.79/99

Tariffa

Omnicomprensiva

DM18/12/2008

Registri e Aste

DM 6/7/2012

Impianti in esercizio

DM 6/7/2012

Idraulica 0 743.4 213.3 84.4 28.2

Eolica 8.8 1256.3 5 90 17.3

Moto ondoso 204.1 0 0 0 0

Geotermica 11.3 119.5 0 14.3 0

Biomasse 0 322.4 73 131.1 5.1

Bioliquidi 0 341.1 72.3 1.6 0

Biogas 0 104.2 1073.9 93.2 16.3

Totale annuo 224.2 2886.9 1437.5 414.6 66.9

5030.1TOTALE 2013


Classificazione di una turbina eolica di piccole dimensioni

25

A fini costruttivi la definizione di Small Wind Turbine (SWT) è data dallanorma IEC 61400-2 Ed.3.0 (2013), che fissa le seguenti condizioni:

1) Area spazzata dal rotore inferiore a 200 [mq], ossia diametro del rotoreinferiore a 16 [m] per turbine ad asse orizzontale (HAWT);

2) Voltaggio di uscita inferiore a 1000 Vac o a 1500 Vdc.

rimandando alla norma IEC61400-1 Ed.3.0 (2005) i requisiti di progettazioneper turbine di maggiori dimensioni.

Qualora l’area spazzata dal rotore fosse minore di 2 [mq] il palo di sostegnoviene escluso dal dimensionamento; quest’ultima condizione portafrequentemente, ed erroneamente, ad identificare come MICROTURBINEtale categoria.

A fini economici Il DM6/07/2012 ha previsto una forma di Accesso Direttoall’incentivo per impianti eolici di piccola potenza, limitando a 60 [kW] lapotenza massima della turbina; è diventata così una prassi comuneidentificare il minieolico italiano nelle turbine di potenza fino a 60 [kW].

SI ricorda, a tal proposito, come la Finanziaria 2008 ed il DM 18/12/2008avessero precedentemente previsto una Tariffa particolare (TariffaOmnicomprensiva) per le turbine di taglia inferiore a 200 [kW] che, per uncerto periodo, furono appellate come «Turbine minieoliche».


Lo strato limite ambientale

26

La velocità del vento diminuisce mano a mano che cisi avvicina al suolo per effetto dell’attrito dell’aria conla superficie terrestre. Lo spessore di atmosferaall’interno del quale si fa risentire questo effetto dirallentamento si chiama STRATO LIMITE AMBIENTALE(Atmospheric Boundary Layer ABL). Nello strato limiteambientale la velocità media del vento aumenta conla quota fino ad un’altezza oltre la quale il suo valoresi mantiene costante. La quota in cui la velocità mediaraggiunge il suo valore massimo (e costante) definiscel’altezza dell’ ABL, essa è definita ALTEZZA DIGRADIENTE (δ). L’altezza di gradiente non è costante edipende, in primo luogo, dalla velocità dell’aria e daltipo di superficie terrestre su cui essa fluisce; perluoghi con piccole asperità, quali zone desertiche osuperfici del mare, lo strato limite ambientale arrivaad altezze di circa 300 metri, per regioni a elevatarugosità, come zone fortemente urbanizzate, si arrivaa valori di circa 500 metri. Tali valori si riferiscono acondizioni di stabilità termica atmosferica, ovverosituazioni in cui sono assenti i gradienti termiciverticali dell’aria o, comunque, sono inferiori a –1 °Cogni 100 metri di salita.


La misura del vento vicino al terreno

Pag. 27

0.01 0.1 0.5 1.5 3

0.112 0.160 0.213 0.257 0.289

h (m)

0 0 0 0 0 0

10 4.50 4.50 4.50 4.50 4.50

15 4.71 4.80 4.91 5.00 5.06

20 4.86 5.03 5.21 5.38 5.50

25 4.99 5.21 5.47 5.70 5.87

30 5.09 5.36 5.68 5.97 6.18

35 5.18 5.50 5.87 6.21 6.47

40 5.26 5.62 6.04 6.43 6.72

45 5.33 5.72 6.20 6.63 6.95

50 5.39 5.82 6.34 6.81 7.17

Cit

tàco

np

alaz

zial

ti

Altezza di rugosità-z0 (m)

Esponente della Power Law

V (m/s)

Terr

eno

Inn

evat

o

Erb

aal

ta

Alb

eris

par

si

Fore

ste

eB

osc

hi

Per

ifer

iau

rban

a

0.01 0.1 0.5 1.5 3

0.112 0.160 0.213 0.257 0.289

h (m)

0 0 0 0 0 0

10 3.50 3.50 3.50 3.50 3.50

15 3.66 3.73 3.82 3.89 3.94

20 3.78 3.91 4.06 4.18 4.28

25 3.88 4.05 4.25 4.43 4.56

30 3.96 4.17 4.42 4.64 4.81

35 4.03 4.28 4.57 4.83 5.03

40 4.09 4.37 4.70 5.00 5.23

45 4.14 4.45 4.82 5.15 5.41

50 4.19 4.53 4.93 5.30 5.58C

ittà

con

pal

azzi

alti

Altezza di rugosità-z0 (m)

Esponente della Power Law

V (m/s)

Terr

eno

Inn

evat

o

Erb

aal

ta

Alb

eris

par

si

Fore

ste

eB

osc

hi

Per

ifer

iau

rban

a


Classe di una turbina di piccola taglia

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Classe I II III IV S

Vref (m/s) 50 42.5 37.5 30

Vave (m/s) 10 8.5 7.5 6

I15 0.18 0.18 0.18 0.18

Valori

specificati

dal

progettista

I15: Turbolenza misurata al mozzo ad una velocità del vento di 15 [m/s]

Vave: Velocità media annua misurata al mozzo

Vref: Velocità massima al mozzo per turbina parcheggiata

Classificazione secondo IEC 61400-2 Ed.2.0

Diametrorotoreminore di16 metri

Diametrorotoremaggioreo uguale a16 metri

Classe I II III

Vref (m/s) 50 42.5 37.5

I15 classe A

I15 classe B

I15 classe C 0.12

Valori specificati dal

progettista

S

0.16

0.14

Classificazione secondo IEC 61400-1 Ed.3.0


Classificazione dei Generatori Eolici (1)

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Generatori Eolici

Azione Aerodinamica

Resistenza Portanza

Taglia

Micro Mini Maxi

Orientamento Asse

Orizzontale Verticale

Solidità Piano Rotorico Controllo Tubo Flusso Sito

Alta

Bassa

Upwind

Downwind

RPM

Pitch

Libero

Intubato

Onshore

Offshore



Pag. 30

Azione Aerodinamica

Resistenza Portanza

Una macro-divisione può essere fatta sulla base dell’azione aerodinamica cheviene principalmente sfruttata dal sistema eolico. Si possono distinguere igeneratori a resistenza, come ad esempio il Savonius e quelli a portanza come itipici aerogeneratori tripala usati nella produzione elettrica multi-megawatt.L’azione di resistenza è sostanzialmente associata alla resistenza di forma(pressione) che un oggetto evidenzia una volta investito da un flusso; essa èdovuta ad importanti fenomeni di separazione del flusso. L’azione di portanzaderiva invece dalla curvatura che un oggetto aerodinamico induce alle linee diflusso ed agli effetti di depressione che si innescano a bilanciamento delle forzecentrifughe nelle traiettorie curvilinee dei volumi di fluido. Le azioni di portanza,per un profilo alare lontano dallo stallo, sono decisamente più importantirispetto a quelle di resistenza ed un loro sfruttamento consente di ottenereprestazioni dell’aerogeneratore più significative.



Corso di Energetica – Energia EolicaPag. 31

Orientamento Asse

Orizzontale Verticale

La classificazione in relazione all’orientamento dell’asse dirotazione prescinde dal fatto che l’aerogeneratore lavoriprincipalmente a portanza o a resistenza. Questasuddivisione si sofferma infatti solo sull’orientazionedell’asse di rotazione della parte captativa del vento inrelazione al suolo.I tipici generatori ad asse verticale sono i Savonius e/o iDarrieus, mentre nella categoria ad asse orizzontaletroviamo i tipici generatori tripala utilizzati nellaproduzione di energia elettrica su vasta scala.L’orientamento dell’asse di rotazione è importantesoprattutto nell’ottica dell’integrazione architettonica dellarisorsa eolica; nell’esempio riportato accanto, di un palo diilluminazione pubblica alimentato da fonti rinnovabili, losviluppo verticale dell’elemento architettonico, tipico degliarredi urbani, si fonde con degli aerogeneratori ad asseverticale.L’orientamento verticale dell’asse induce inoltre unasostanziale indipendenza dalla direzione del vento.D’altra parte i generatori tripala ad asse orizzontale offronocoefficienti di potenza decisamente più elevati emaggiormente adatti ad una produzione di energiaelettrica.



Pag. 32

Solidità

Alta

Bassa

La solidità del generatore eolico esprime il rapporto frala proiezione frontale dell’area del rotore e l’areaspazzata dallo stesso. Esistono legami diretti fra lasolidità di un aerogeneratore e la capacità diproduzione, che verranno approfonditi nel proseguo.Tipici esempi di generatori ad elevata solidità sono imultipala americani, normalmente utilizzati inaccoppiamento a pompe idrauliche per la captazione diacque profonde; ciò grazie all’elevata coppia meccanicache sono in grado di generare a basse velocità dirotazione.Generatori a bassa solidità sono invece i tripala, cheruotano a velocità maggiori ed offrono maggioriattitudini alla produzione di energia elettrica dariversare in rete.



Pag. 33

Piano Rotorico

Upwind

Downwind

I generatori eolici possono avere il piano rotorico postoa valle o a monte della navicella (HUB della macchina) inrelazione alla direzione del vento incidente.La soluzione maggiormente utilizzata è quella di tipoupwind, in cui il piano rotorico si trova a monte dellanavicella e quindi viene investito prima dal flusso d’aria.La soluzione downwind presenta invece il piano rotoricoa valle della navicella; questa posizione, che comportaun maggior disturbo del flusso incidente sul rotore acausa della scia della navicella e della torre di sostegno,ha il vantaggio di essere auto-allineante rispetto alladirezione del vento.



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Tubo Flusso

Libero

Intubato

Una possibile suddivisione per gli aerogeneratori èlegata al confinamento del tubo di flusso attorno alrotore. I generatori maggiormente diffusi hanno iltubo di flusso libero ed in grado di espandersi nellafase di avvicinamento, attraversamento edallontanamento dal piano rotorico per la necessità diconservare la portata massica elaborata.I generatori intubati hanno invece una carenaturaattorno all’asse del rotore che consente unconvogliamento del flusso da elaborare verso le pale.I secondi hanno chiaramente una maggiore difficoltàrealizzativa ed un impatto visivo non trascurabile.



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Sito

Onshore

Offshore

La classificazione sul controllo delle macchine eolichedistingue fra controllo sui giri, fissi o variabili, e sull’angolodi attacco delle pale, fisso o variabile. La soluzione piùsemplice è quella a giri fissi ed angolo pale bloccato,mentre quella più complessa prevede sia i giri variabili chela possibilità di modifica dell’angolo di attacco delle pale.La scelta fra le varie tipologie è legata sia a considerazionieconomiche che alla scelta del generatore elettrico.

Un’ultima classificazione dei generatori eolici può esserefatta sulla base della loro destinazione di installazione. Sipossono infatti avere macchine destinate ad installazioni suterra ferma (onshore) e macchine destinate ad installazioniin mare (offshore). Le due tipologie si differenziano per itipi di fondazione, per le taglie di potenza, per le classi IECdi appartenenza, per le caratteristiche costruttive.

Controllo

RPM

Pitch


Miniturbine ad asse verticale (1)

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31

2

P

PC

u A

R

u

Source: E.Hau. Wind Turbines – Foundamentals, Technology, Application, Economics, 2° edition, Springer, 2006

Tip speed ratio: rapporto fra lavelocità periferica della pala e lavelocità del vento incidente

Rotor Power Coefficient: rapporto frala potenza estratta dal rotore e quellafornita dal vento


Miniturbine ad asse verticale (2)

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Simulazione effettuata per: λ=0.735

Overlap-jet

Counter rotatingvortices

RecirculatingFlow

Velocità assoluta


Effetto dell’aerodinamica del rotore di una HAWT

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E2D=60

E2D=160

E2D=Efficienza diprofilo=rapporto fraportanza e resistenzasulla sezione alare


Profili per turbine eoliche

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NACA 63-215

NACA 63-415

NACA 64-421

RISO A1-18

RISO A1-21

FFA-W3-211

FFA-W3-241

SERI 809

SERI 814

FX66-S196-V1

DU-W2-250

LS(1)-0417


Comportamento in post-stallo di un rotore

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Il comportamento aerodinamico di un profilo palare deve essere studiato per angoli di incidenza variabili da 0 a 360 gradi, in quanto lavelocità relativa incidente sulla pala presenta un angolo di attacco elevato:; a macchina ferma e durante le fasi di regolazione. Oltre a ciò siaggiunga anche il fatto che la turbina potrebbe avere il rotore non ortogonale al vento ma in posizioni sensibilmente diverse a seconda dicome la macchina è stata arrestata in precedenza. In letteratura è difficile avere dati sperimentali oltre l’angolo di STALLO, ossia circa 10-15gradi, e perlomeno per un range fino a 90 gradi è necessario che il progettista sia in gradi di calcolare la distribuzione dei coefficientiaerodinamici basandosi, ove possibile, da relazioni empiriche accreditate.


Vortex Generators


Flusso 3D sulle pale di una turbina

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Nel flusso 3D che si instaura su un’ala di un aereo è ben noto che sono i vortici di estremità a modificare i valori deicoefficienti di portanza e resistenza lungo l’apertura. In una pala di una turbina eolica, a causa della rotazione, entrano ingioco anche la forza Centrifuga e la forza di Coriolis; l’effetto della prima tende a ridurre la parte ricircolante dei vortici diestremità nella sezione di depressione, e ad incrementarla nella sezione in pressione. La forza di Coriolis tende invece adessere importante solo a basse velocità del vento quando da origine, insieme alla forza centrifuga, alla formazione di unabolla di separazione sull’estradosso della pala, nelle vicinanze della radice. Tale separazione è da associare alladistribuzione di portanza sulla pala stessa, che vede nella radice la zona a MAGGIOR PORTANZA e, quindi, quella cheprima delle altre andrà in separazione. In generale lo stallo 3D avviene per angoli di incidenza superiori a quello 2D.


Struttura della pala

VARTM: Vacuum-assisted resin transfer mouldingSPRINT: Partially pre-impregnated fabricSCRIMP: a VARTM process

Resine utilizzate: Poliestere, Epossidiche eVinil Estere


Regolazione aerodinamica della potenza


Regolazione del Pitch Regolazione a Stallo

Struttura interna di una turbina tradizionale


Generatore asincrono (a induzione):•Generatore a gabbia di scoiattolo•Generatore a rotore avvolto:

A scorrimento variabileDoppia alimentazione (DFIG)

Rendimento inferiore (-2/5%)Robusto ed economico (come motore è il leader)Funziona a induzione e necessita di potenza reattiva dallarete: per le scale più grandi è accompagnato da batterie dicondensatori variabili (manutenzione aggiuntiva)Permette l’accoppiamento diretto alla rete, senzaconvertitori (oscillazioni torsionali ridotte)E’ usato soprattutto in piccole turbine regolate a stallopassivoPossibile funzionamento come motorePossibile variazione del numero di poliLa versione DFIG pur con lo svantaggio dei contattistriscianti, ha caratteristiche interessanti: conversione dipotenza parziale e controllo di potenza reattivaPer questioni costruttive non si presta alla modalità directdrive

Generatore sincrono•Generatore a rotore avvolto:

BrushlessCon contatti striscianti

•Generatore a magneti permanenti

Rendimento elevato (le grandi macchine fino al 95%) anchegrazie alla capacità di produrre potenza reattivaE’ più complicata meccanicamente e costosaL’eccitazione magnetica può essere ottenuta anche con magnetipermanentiHa bisogno di un raddrizzatore-invertitore AC-DC-AC consistema di sincronizzazione, per la sua rigidezza diaccoppiamento diretto alla rete.Per essere avviato deve affidarsi al rotore eolico (solo in casiisolati funziona temporaneamente come motore a induzione)Si presta a un elevato numero di poli (traferri non troppo ridotti)La versione a magneti permanenti è più efficiente (senza perditedi eccitazione) ma necessita di un convertitore di potenza totalee i magneti sono costosi e smagnetizzabili ad alte temperatureLa brushless a rotore avvolto: niente attriti ma peggioredinamica di controllo (il controllo della corrente di eccitazione èmeno pronto)

Generatori di turbine eoliche


Il generatore asincrono

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Tipologie di rotori:- Rotore a gabbia di scoiattolo(in corto circuito)- Rotore avvolto con contattistriscianti (avvolgimenti dirotore simili a quelli di statore)

Macchine asincroneSono molto diffuse anche nelle HAWT per via della loro robustezza economicità e semplicità dicollegamento alla rete. In alcuni casi vengono usati come motore per l’avvio, specie se in assenzadi pitch variabile


Giri fissi vs. Giri Variabili

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Con una macchina a girivariabili si è in grado diinseguire, per ogni velocitàdel vento, il punto dimassima potenza. Laconvenienza di questamacchina è presente soloquando il vento è debole,perché in aree con ventistabili la macchina a girifissi fornisce produzionianche superiori.


Flexible Trailing Edges

Il progetto UPWIND, dal valore di 24.3 [M€] è stato finanziato per14.3 [M€] dalla Comunità Europea. Al progetto fanno parte colossiindustriali come Gamesa, GE, Bosch-Rexroth e diversi istituti diricerca tedeschi, spagnoli e greci.La turbina avrà un diametro di 250 [m] ed un mozzo posto a 153[m] da terra. Una pala da 60 [m] presenta

un guscio di 15 [cm] dispessore laddove una palada 120 [m] dovrebbe avereun guscio da 30 [cm] dispessore; ciò rende difficilel’infusione della resinadurante la realizzazione deidue semigusci che dannoorigine alla pala.

Una soluzione è quella diridurre il caricoaerodinamico mediante deiFlexible Trailing edges,permettendo così diadottare pale meno pesanti.


LO SVILUPPO DELL’EOLICO DI PICCOLA TAGLIA

Engineering

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