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UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BRESCIA

CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA MECCANICA

Tesi di laurea

PANORAMICA DELLO STATO DELLARTE

COMMERCIALE DELLE TURBINE EOLICHE

Relatore

Ch.mo Prof. Rodolfo Faglia

Laureando

Gorga Lorenzo

Matricola 81009

ANNO ACCADEMICO 2012/2013

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SOMMARIO

INTRODUZIONE 5

1. STORIA 7

2. VENTO 37

3. TECNOLOGIA 43

3.1 CONFIGURAZIONE GENERALE 43

3.2 CLASSIFICAZIONE 51

3.3 TIPOLOGIE 53

4. APPENDICE 83

4.1 PRODUTTORI TAGLIA GRANDE 85

4.2 PRODUTTORI TAGLIA MEDIA 113

4.3 PRODUTTORI TAGLIA PICCOLA 119

4.4 PRODUTTORI VAWT 127

4.5 ALTRI PRODUTTORI 133

BIBLIOGRAFIA 167

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INTRODUZIONE

Questa tesi stata ideata per essere un excursus iniziale sulle turbine eoliche. Lintento quello di fornire le conoscenze di base per chiunque desideri informarsi sulla situazione attuale della tecnologia utilizzata nella trasformazione dellenergia eolica in energia elettrica. Il primo capitolo dedicato agli sviluppi storici che hanno portato alle moderne macchine eoliche. Si reputato importante dedicare spazio a questo argomento visto il rinnovato interesse verso tecnologie scoperte quasi un secolo fa e riprese e sviluppate in tempi recenti come le turbine ad asse verticale. In fondo a tale capitolo sono state inserite le statistiche dellultimo wind power report del GWEC le quali mostrano gli andamenti di mercato e le prospettive future di questo settore. Successivamente vengono affrontati a grandi linee i problemi teorici fluidodinamici relativi al vento e alla potenza sfruttabile. Le considerazioni effettuate sono solo indicative e, come nello spirito del lavoro, servono da base di partenza per successivi sviluppi. Pertanto, per una migliore conoscenza dellargomento, si rimanda ai testi inseriti nella bibliografia. Il terzo capitolo la vera e propria esposizione dello stato dellarte delle turbine eoliche ed suddiviso in tre sottocapitoli. Nel primo viene descritta la configurazione generale di una tipica turbina eolica con attenzione ai singoli componenti. Nel secondo sono proposte le diverse classificazioni utilizzate per le macchine eoliche. Infine, nel terzo, vengono mostrate le varie tipologie divise per macrogruppi: turbine ad asse orizzontale e turbine ad asse verticale (le due nettamente pi importanti commercialmente di cui viene proposto anche uno schema di confronto), macchine per eolico dalta quota e nuove tecnologie (ancora praticamente assenti sul mercato ma con buone probabilit di entrarvi presto). Alla tesi stato aggiunto un CD in cui sono presenti i pi di 150 produttori che sono stati consultati; di ogni produttore sono presenti le schede tecniche delle turbine messe in commercio, i link per una consultazione in rete e, se disponibili, le brochure. Pertanto alcuni esempi di queste schede tecniche sono presenti in appendice.

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1. STORIA La prima turbina eolica

Il possibile matrimonio tra vento e elettricit sempre stato una delle grandi promesse della tecnologia umana. Molti si cimentarono nellimpresa incontrando ostacoli quali la non continuit della fonte e il metodo di stoccaggio dellelettricit prodotta. Tra i primi a rendere questa

promessa realt troviamo un professore scozzese dellAnderson

College di Glasgow (oggi sede della Strathclyde University), James Blyth, il quale nel luglio 1887 costru nel giardino del proprio cottage di vacanza nel Marykirk una turbina eolica in stoffa in grado di caricare un accumulatore usato per alimentare le luci della casa.

La turbina di Brush In letteratura il primo impianto eolico pratico a larga scala normalmente attribuito a Charles Brush, uno scienziato di Cleveland, Ohio, che nellinverno a cavallo tra il 1887 e il 1888 mise a punto una turbina di immense dimensioni per lepoca: i visitatori dei suoi terreni potevano ammirare una torre di 46 300 kg alta 18,3 m sulla cui sommit girava un rotore con diametro di 17,1 m con 144 sottili pale. All interno della torre pose la dinamo e gli ingranaggi necessari per muoverla, mentre sulla base si trovavano 12 batterie.

Figura 1.2 turbina Brush (1888) [wikipedia.org]

Figura 1.1 la turbina di Blyth (1891) [wikipedia.org]

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La macchina era controllata per imbardata (yaw control) tramite una grande coda che portava in rotazione la torre; aveva un opportuno organo di controllo di grosse dimensioni e un apposito dispositivo la disallineava nel caso di venti forti. Incredibilmente questo generatore funzion oltre 15 anni fornendo 12 kW in corrente continua che alimentavano la residenza e il laboratorio (oggi con le stesse dimensioni possibile raggiungere i 100 kW); eppure, nonostante il successo, il Brush wind dynamo non fu mai duplicato a causa degli elevati costi di produzione. Brush offr al pubblico un prototipo, ma niente che potesse essere prodotto in massa.

La Cour, linizio della tradizione danese

Nel 1900, lesperto a livello mondiale sulle turbine eoliche per la generazione di elettricit non era James Brush, bens Poul La Cour, uno scienziato danese che con il supporto del governo della Danimarca inizi una tradizione tecnologica che sopravvive fino ai giorni nostri. Egli fu il primo a scoprire tramite studi di aerodinamica che turbine eoliche con poche pale a rotazione veloce sono pi efficienti, in quanto in grado di assorbire maggiore energia dal vento, rispetto a turbine con numero elevato di pale e a rotazione lenta. La macchina di La Cour, senzaltro pi pratica e versatile, rappresent levoluzione pioneristica verso le macchine pi moderne.

Figura 1.3 turbine di La Cour per test, Askov [eye-ball.info]

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Inoltre nel 1891 ebbe lintuizione di poter raccogliere lenergia prodotta dal vento sotto forma di idrogeno e con l aiuto del professore italiano Pompeo Garuti fu in grado di sviluppare un sistema di stoccaggio basato sullelettrolisi dellacqua in idrogeno e ossigeno: dal 1895 al 1902 la Askov Folk High School fu illuminata da una miscela di idrogeno e ossigeno, senza rimanere mai al buio, grazie a una cisterna di idrogeno da 12 metri cubi.

La prima diffusione americana, le turbine Jacobs La sperimentazione continu sporadicamente tra il 1900 e il 1920, ma queste decadi rappresentano la pausa tra linvenzione e lapplicazione. Fu solo dopo la prima guerra mondiale che alcuni meccanici americani applicarono le conoscenze avanzate nellaeronautica per creare turbine eoliche pratiche e economiche.

Nel 1920 solo pochi agricoltori del Nord America avevano energia elettrica e le turbine eoliche iniziarono a dimostrarsi tra i mezzi migliori per eliminare questa mancanza. Un numero elevato di compagnie inizi a produrre pale eoliche, ma quelle di maggiore successo furono la Wincharget e la Windelectric dei fratelli Jacobs. Joe e Marcellus Jacobs non erano ingegneri, ma soltanto due contadini con molta inventiva; iniziarono i loro esperimenti nel ranch dei loro genitori nel Montana dellest convertendo un mulino a vento per il pompaggio dellacqua in un generatore di corrente, ma esso girava troppo lentamente.

Figura 1.4 turbina di La Cour, Lykkegard (1908) [addante.it]

Figura 1.5 famiglia americana davanti alla propria pala eolica (1910) [wordpress.com]

Figura 1.6 M.Jacobs con una delle sue turbine [jacobswind.net]

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Figura 1.7 una pagina da un catalogo Jacobs del 1944 [jacobswind.net]

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Marcellus, grazie allesperienza di pilota di aerei, cap presto che unelica a tre pale sarebbe stata una soluzione migliore per la generazione di elettricit, inoltre miglior i profili alari della pale. Subito le turbine Jacobs comparirono in tutte le fattorie nelle vicinanze, ma presto i due fratelli si accorsero che produrre turbine in maggiore quantit richiedeva una rilocazione in un centro industriale, pertanto nel 1927 scelsero di trasferirsi a Minneapolis, Minnesota, da dove fino al 1957 fecero uscire 30000 piccole turbine.

Queste turbine diventarono leggenda grazie alla loro affidabilit. Nel 1938 un missionario cristiano install una turbina Jacobs in Etiopia, il primo pezzo di ricambio venne richiesto nel 1968 dopo 30 anni di operativit. Nel 1933, Admiral Byrd install una macchina Jacobs nella base antartica di Little America su una torre di 21,3 m; quando Byrd abbandon la base lasci li la turbina. Suo figlio, Richard Byrd, and a visitare il sito nel 1947, la pala stava ancora girando

nonostante solo 4,6 m fossero liberi dal ghiaccio. Nel 1955, uno dei veterani del 1933 torn alla base e ripul la pala, che continuava a funzionare, dal ghiaccio. Altre aziende importanti furono la Miller Airlite, la Universal Aeroelectric, la Paris-Dunn, la Airline, la Wind Kind e la Wind Power. Nel 1945 Robert Weinig, general manager della Wincharger, riferisce che al tempo la propria compagnia aveva circa 400000 impianti eolici funzionanti in tutto il mondo. La maggior parte delle turbine create erano di piccole dimensioni, fornivano la potenza necessaria per alimentare una radio e qualche lampadina da 40 W. Il loro utilizzo era raccomandato solo dove non cera una generale erogazione di elettricit, infatti al tempo le compagnie elettriche rifiutavano di servire luoghi rurali se non abbastanza vicini alle citt a causa dell elevato costo dei cavi.

Figura 1.8 la turbina Jacobs della base di Little America [blogspot.com]

Figura 1.9 una pubblicit della Wincharger [antiqueradio.com]

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Nel 1930 approssimativamente solo il 10% delle famiglie di contadini americani erano rifornite di energia elettrica, fu questo clima che port il governo alla creazione del Rural Electrification Act (REA). Questa legge, passata nel 1936, obbligava i contadini locali a fondare cooperative con le autorit per elargire i prestiti necessari a portare lelettricit nelle zone rurali. Fu un enorme successo, ma ci segn la fine dellindustria americana delle pale eoliche: entro il 1957 tutte le aziende americane di energia eolica chiusero i battenti.

Figura 1.10 un manifesto della REA [blogspot.com] Figura 1.11 un altro manifesto della REA [stopthecap.com]

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Nuovi prototipi europei Nel frattempo in Europa lo sviluppo di nuovi tipi di turbine port numerosi ingegneri a riprendere in considerazione la possibilit di sfruttare macchine ad asse verticale, con progetto del 1924 e brevetto del 1929 lingegnere finlandese S.J.Savonius prov un nuovo ed innovativo tipo di aerogeneratore ad asse verticale, che porta il suo nome, derivandolo dal progetto dellingegnere tedesco Anton Flettner che sfruttava leffetto Magnus (il responsabile della variazione della traiettoria di un corpo rotante in un fluido in movimento). Un altro tipo di macchina con rotore ad effetto Magnus venne proposta da Julius Madaraz, ma non ebbe molta fortuna.

Il rotore Darreius, meglio conosciuto come mulino a vento eggbeater [frullino da cucina] nasce da un progetto originale che risale al 1931 ad opera dellingegnere aeronautico francese Georges Darrieus. Tale rotore, con due o tre pale curvate a formare una sorta di fuso intorno ad una colonna centrale, capace di accettare vento da ogni direzione senza dover ruotare in imbardata e a lungo ha rappresentato lunica macchina ad asse verticale, Vertical Axis Wind Turbine (VAWT), in grado di contrastare il predominio degli Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT). Dopo lapparizione, che come detto risale ai primi anni 30 , questa tipologia di aerogeneratore stata ripresa in Canada intorno agli anni 70 e conosce, intorno al 1990, la sua realizzazione pi grande

negli Stati Uniti (600 kW).

Figura 1.12 turbina Savonius (13 maggio 1931) [scienceservice.si.edu]

Figura 1.13 turbina Darrieus [wikipedia.com]

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Figura 1.15 schema di una turbina Giromill [reuk.co.uk]

Nel 1985 una unit Darrieus da 4 kW, lanciabile con rotori Savonius, realizzata in Italia dal Cesen in partecipazione con lENEA, era in sperimentazione al Passo del Turchino, vicino a Genova. Infine rotori Darrieus, a pale con geometria variabile, sono i cosiddetti Giromill di cui c stata una realizzazione anche in Italia ad opera della TEMA S.p.A. (societ consociata alla Snamprogetti) per un sito nella zona Nord Ovest della Sardegna (diametro della macchina di 14 m, altezza della torre di 18 m e potenza massima di 40 kW resa a 11 m/s di velocit del vento). Negli anni pi recenti sono stati sviluppati numerosi prototipi di VAWT, alcuni dei quali verranno mostrati in seguito.

Altro pioniere del tempo fu il tedesco Herman Honnef, il quale nel 1932 propose per primo lidea di utilizzare i rotori allinterno di enormi generatori ad anello. La macchina progettata da Honnef doveva raggiungere un diametro complessivo di 160 m e a una velocit di 15 m/s avrebbe dovuto generare 20 MW. Un'altra importante innovazione di Honnef fu quella di pensare per primo ad uninstallazione off-shore, egli infatti, in anticipo sui tempi, progett una macchina galleggiante da porre in mare aperto ancorata al fondale. Non avendo una base fissa la macchina si sarebbe sempre direzionata autonomamente nella migliore direzione del vento.

Figura 1.14 turbine Darreius/Savonius installate a Taiwan [wikipedia.com]

Figura 1.16 uno dei progetti di Honnef [wikipedia.org]

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Figura 1.17 e 1.18 due dei progetti di Honnef [heiner-dorner-windenergie.de]

Limpianto di Balaklawa

Il primo grande impianto eolico fu realizzato nellEst Europeo ad opera dellURSS, dopo che questi ebbero utilizzato alcuni modelli di tipo simile al mulino americano per alcune installazioni isolate e poste nelle immense steppe e praterie sovietiche. Il 1931 lanno della realizzazione e dellinstallazione della turbina da 100 kW, con rotore di 30 m di diametro, di Balaklawa sulla costa russa del Mar Nero in Crimea. La turbina oper fino al

1942, anno in cui venne distrutta dai soldati della Wehrmacht.

Figura 1.19 impianto di Balaklawa [windturbinesnow.com]

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Putnam, come vendere energia alle compagnie elettriche Il successivo passo in avanti venne fatto dallingegnere americano Palmer Cosslett Putnam che ebbe lidea di vendere il surplus energetico ricavato dalla propria pala eolica alle compagnie energetiche. Tuttavia, nessun meccanismo esistente al tempo era in grado di convertire la corrente diretta di una turbina eolica nella corrente alternata che consegnavano le centrali elettriche. Putnam decise di costruire unnorme turbina eolica sperimentale che avrebbe creato energia elettrica alternata identica a quella generata dalle normali centrali elettriche. Eresse sulla cima di Grandpas Knob una massiccia turbina a doppia pala con la S. Morgan Smith Company, unindustria di turbine idroelettriche.

Il 19 ottobre 1941 inizi ad entrare in funzione, funzion per circa 16 mesi producendo 298 240 kWh in 695 h di operativit in linea. Il progetto naufrag a causa dellinizio della seconda guerra mondiale e non venne pi ripreso, ovviamente non produsse ricavi economici, ma nella sua breve vita questa turbina apr certamente nuove frontiere nella conoscenza nel campo dellenergia eolica.

Figura 1.20 la turbina di Putnam/Smith sulla cima di Grandas Knob [wordpress.com]

Figura 1.21 fase di costruzione della turbina Putnam/Smith [situstudio.com]

Figura 1.22 fase di montaggio della turbina di Putnam/Smith [situstudio.com]

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Figura 1.23 e 1.24 alcuni disegni complessivi del progetto della turbina Putnam/Smith [heiner-doerner-windenergie.de]

I primi studi italiani In Italia il problema dellutilizzomostra una memoria di R. Vezzani. Indubbiamente la situazione italiana dovette gi allora risultare ben diversa da quella dei paesi del Norddalla scarsa presenza di evidenti ventimanc, senzombra di dubbio, quel rilevamento di dati, capillare e su larga scala, che invece per esempio i britannici portarono avanti; il primo studio sistematico dei dati su scala nazionale, basato sullMilitare, fu compiuto dal C.N.R.

Juul e Htter, il dopoguerra

Durante la seconda guerra mondiale quasi tutte le ricerche si bloccarono, gli unici stati che proseguironofurono la Germaniagrazie alle ricerche rispettivamente di Ulrich Htt QuestultimoLa Cour, port avanti la tradizione

danese testando nuovi prototipimodificando turbine di altre

Nel 1956 costru a Gedser un generatore a tre pale da 200 kW il quale influenz il design di numerose macchine successive. Figura 1.27 disegno complessivo della turbina di Juul

Figura 1.25la turbina di Juul a Gedser [windpower.org]

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a il problema dellutilizzo del vento risulta affrontato gi nel 1942 come mostra una memoria di R. Vezzani. Indubbiamente la situazione italiana dovette gi allora risultare ben diversa da quella dei paesi del Nord-Europa, limitata senzaltro dalla scarsa presenza di evidenti venti in condizioni tali da poter venir sfruttati, per manc, senzombra di dubbio, quel rilevamento di dati, capillare e su larga scala, che invece per esempio i britannici portarono avanti; il primo studio sistematico dei dati su scala nazionale, basato sulle registrazioni dei venti operate dalla Aeronautica Militare, fu compiuto dal C.N.R.-P.F.E. e venne pubblicato solo nel 1981.

Juul e Htter, il dopoguerra

Durante la seconda guerra mondiale quasi tutte le ricerche si bloccarono, gli unici stati che proseguirono lo sviluppo furono la Germania e la Danimarca grazie alle ricerche rispettivamente di Ulrich Htter e di Johannes Juul.

Questultimo, studente danese di La Cour, port avanti la tradizione

danese testando nuovi prototipi e modificando turbine di altre aziende.

Nel 1956 costru a Gedser un generatore a tre pale da il design di numerose

disegno complessivo della turbina di Juul [windpower.org]

del vento risulta affrontato gi nel 1942 come mostra una memoria di R. Vezzani. Indubbiamente la situazione italiana dovette gi

Europa, limitata senzaltro in condizioni tali da poter venir sfruttati, per

manc, senzombra di dubbio, quel rilevamento di dati, capillare e su larga scala, che invece per esempio i britannici portarono avanti; il primo studio sistematico dei dati

e registrazioni dei venti operate dalla Aeronautica P.F.E. e venne pubblicato solo nel 1981.

Figura 1.26 altro modello di turbina di Juul [masterresource.org]

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Ulrich Htter progett turbine per lazienda nazista Ventimotor con sede nel Weimar, Germania, nella speranza di ridurre la dipendenza da fonti energetiche di importazione da stati stranieri. Il team di Htter speriment diversi design, inclusi i primi usi di turbine eoliche collegate a generatori asincroni o a generatori a induzione direttamente accoppiati a una rete dei servizi elettrici. Dopo la guerra continu i suoi studi e nei tardi anni 50 install una nuova turbina caratterizzata da elevate velocit di rotazione e con sole due pale; inoltre, seguendo la strada tracciata da Honnef, nel 1958

install su una piattaforma petrolifera una sua turbina da 10 kW a tre pale che si pu considerare il primo impianto eolico off-shore della storia.

Figura 1.29 e 1.30 alcune turbine di Htter Figura 1.31 la prima pala eolica installata in mare [heiner-doerner-windenergie.de] [heiner-doerner-windenergie.de]

Nelle decadi del 1950 e del 1960, sia la Francia che la Gran Bretagna iniziarono a installare prototipi di pale eoliche.

Figura 1.28 Ulrich Htter nel proprio laboratorio [stuttgart-buch.de]

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Il boom degli anni 70

Figura 1.32 limpianto eolico di san gorgonio in california [fineartamerica.com]

Gli anni 70 portarono nuovo impulso allo sviluppo delle tecnologie eoliche con rilevanza notevole in alcuni paesi fuori dallEuropa, come accaduto negli USA con le mega installazioni californiane di San Gorgonio, Altamont Pass e Tehachapi. Per pi di un ventennio gli americani hanno creduto alla promessa di poter provvedere a tutto il proprio bisogno di energia solo grazie al nucleare, ma incidenti come quello di Three Mile Island del 1979 o successivamente quello di Chernobyl del 1986 causarono un forte rallentamento nella costruzione di nuovi impianti. Questi eventi, uniti allembargo sul petrolio e i nuovi vincoli sullutilizzo del carbone, causarono intorno al 1970 una pi seria valutazione delle energie alterative. Nel 1975 lo United States Departement of Energy fond un progetto di sviluppo per turbine eoliche che fossero economiche e utili a fini pratici. Il NASA wind turbines project progett tredici turbine sperimentali che segnarono la strada per molte delle tecnologie utilizzate oggi, da allora le turbine sono cresciute molto in grandezza e in capacit produttiva. Non avendo carbone, insufficiente gas naturale, essendo il petrolio troppo costoso e avendo una forte opposizione locale al nucleare, la California fu il luogo ideale per la fioritura delle energie alternative statunitensi. Inizialmente fu scelta lenergia geotermica e questa crebbe velocemente, ma poco dopo il suo lustro cal e verso il 1980 linteresse si spost seriamente verso unaltra risorsa: il vento.

Figura 1.33 confronto in scala di alcuni modelli sviluppati dalla NASA a partire dal 1975, immagine originariamente rilasciata dallUS Department of Energy e dalla NASA nel 1995. [wikipedia.org]

Figura 1.34 Mod-0 (29/09/1975) [wikipedia.org]

Figura 1.36 Mod-2 [wikipedia.org]

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confronto in scala di alcuni modelli sviluppati dalla NASA a partire dal 1975, immagine dallUS Department of Energy e dalla NASA nel 1995. [wikipedia.org]

0 (29/09/1975) [wikipedia.org] Figura 1.35 Mod-1 (1979) [wikipedia.org]

2 [wikipedia.org] Figura 1.37 WTS4 (1982) Figura [wikipedia.org]

confronto in scala di alcuni modelli sviluppati dalla NASA a partire dal 1975, immagine

dallUS Department of Energy e dalla NASA nel 1995. [wikipedia.org]

1 (1979) [wikipedia.org]

Figura 1.38 Mod-5B [wikipedia.org]

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Lattenzione data allenergia eolica in California non era causata soltanto dalla ventosit del posto, ma soprattutto dalla convergenza di domanda locale, sussidi economici statali e federali, un favorevole clima politico e la convenienza geografica data da tre siti ventosi posti in modo tale da poter raggiungere milioni di persone essendo nei pressi di citt quali S. Francisco, Los Angeles e San Diego.

Figura 1.40 Altamont Pass [airphotona.com] Figura 1.41 Tehachapi [wikipedia.org]

Singolare il fatto che le wind farm californiane siano state ampiamente costruite grazie alle tecnologie danesi, ma a differenza del classico approccio soft europeo, lo sviluppo negli USA fu caratterizzato fin dallinizio da una elevata densit di popolazione dei cluster delle wind farm a svantaggio soprattutto dellimpatto visivo sullambiente: non a caso limpianto di Altamont Pass viene anche chiamato foresta dacciaio. Le persone iniziarono a comprendere come le pale eoliche potessero modificare lestetica del paesaggio, aumentare la mortalit degli uccelli, produrre interferenze elettroniche e creare rumore. Non solo la California approfitt delle possibilit offerte dallenergia eolica, presto le si affiancarono molti stati delle Grandi Pianure (soprattutto Texas, Minnesota, Iowa, Oregon, Washington e Pannslvania) e del Nord-Ovest della costa pacifica, questi stati furono attratti da una tecnologia ormai matura, incentivi federali e la possibilit per gli agricoltori di avere sempre un minimo ricavo dalle proprie terre anche in caso di cattivo raccolto.

Figura 1.39 San Gorgonio [blogspot.com]

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Espansione mondiale In seguito a questi successi anche altri stati tra gli anni 80 e 90 iniziarono a proporre progetti e sussidi per lo sviluppo dellenergia eolica. Tra i paesi pi attivi in Europa ritroviamo la Danimarca (che nel 1991 realizza il primo vero e proprio impianto eolico off-shore), Germania e Spagna che grazie a appoggi governativi sono riusciti a stimolare in modo efficiente la domanda. Anche Gran Bretagna e Olanda lanciarono un programma di sviluppo per leolico, ma entrambi diressero i propri fondi per ricerca e sviluppo verso progetti centralizzati e interessati alla creazioni di grandi centrali per la produzione di elevate quantit di energia, questo non permise a questi stati la competitivit nel mercato europeo in realt basato pi sulluso domestico. Nonostante la Gran Bretagna abbia le migliori risorse eoliche in Europa, opposizioni unite e scarso aiuto statale portarono il mercato al collasso verso la fine del 1990. Molti altri stati iniziarono linstallazione di impianti eolici, in Europa troviamo per esempio Francia, Italia, Grecia e Svezia; fuori dallEuropa un ruolo predominante stato svolto da India, Nord Africa e soprattutto Cina.

La crescita esponenziale Durante i primi anni del 2000 ci si trovati di fronte a una veloce crescita delleolico in tutto il mondo. Una prova evidente di questa affermazione sono i dati: nel Global Wind Report pubblicato nei primi mesi del 2011 dal Global Wind Energy Council si afferma che lenergia eolica si presenta come la principale fonte energetica in molti Paesi, con oltre 197 000 MW di capacit installata in tutto il mondo e una crescita che assume carattere esponenziale. Tale rapporto specifica inoltre che lenergia eolica potrebbe provvedere nel 2030 per circa il 22% alla produzione di elettricit mondiale.

Figura 1.42 Capacit eolica cumulata installata nel mondo. Anni 1996-2010 (MW) [enea.it]

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La sua diffusione ormai ampia, interessando pi di 60 Paesi e la TABELLA 1 illustra i dati per grandi aree geografiche. Come si nota, lEuropa ha un ruolo di primo piano nella produzione di energia da fonte eolica e tale espansione stata favorita principalmente dalle politiche di incentivazione delle fonti rinnovabili adottate dai vari Stati membri, comprendendo incentivi finanziari (incluse sovvenzioni per gli investimenti) e tariffe ridotte, con lobiettivo di contribuire alla riduzione delle emissioni di gas serra.

TABELLA 1.1 - Potenza eolica installata nel mondo suddivisa per area geografica

[enea.it]

Zona geografica Capacit eolica 2010 (MW) % di

ripartizione Africa/Medio Oriente 1.079 0,55 Asia 61.087 31,00 di cui: Cina 44.733 22,70 India 13.065 6,63 Europa 86.279 43,79 di cui: Germania 27.214 13,81 Spagna 20.676 10,49 Italia 5.797 2,94 America del Nord 44.189 22,43 di cui: Usa 40.180 20,39 America Latina 2.008 1,02 Oceania 2.397 1,22 TOTALE 197.039 100,00

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La situazione attuale

TABELLA 1.2 - Top 10 wind power countries [wikipedia.it]

Country Total capacity end 2012 (MW) China 75,564 United States 60,007 Germany 31,332 Spain 22,796 India 18,421 United Kingdom 8,445 Italy 8,144 France 7,196 Canada 6,200 Portugal 4,425 Rest of world 39,852 Total 282,482

I pi recenti dati del 2012 mostrano che le maggiori potenze installate sono in Cina (circa 76 GW), in USA (circa 60GW), in Germania (31GW), in Spagna (23 GW) e in India (18 GW), con lEuropa che globalmente totalizza il 37,4% della potenza eolica mondiale avendo installato 105,7GW. L86,4% della potenza installata nel mondo si trova in soli dieci Paesi: Cina, USA, Germania, Spagna, India, Francia, Italia, Gran Bretagna, Canada e Portogallo. Tradizionalmente, come abbiamo visto in precedenza, i Paesi che pi hanno investito e prodotto negli ultimi anni sono stati Germania, Spagna e USA: la Germania stata la prima in classifica, ma nel 2011 stata sorpassata da Cina e Stati Uniti. Negli ultimi 5 anni emerso un importantissimo outsider, la Cina che dal 2010 diventata il primo Paese in classifica, diventando cos il principale Paese emergente nel settore eolico. Nel 2011 i maggiori sforzi per incentivare la potenza eolica installata vengono dalla Cina, che, con un incremento del 39,6% rispetto al 2009, raggiunge il 26,2% della potenza mondiale installata, e dagli USA, che con un incremento del 16,3% raggiungono il 19,7%. Nel 2010, l'eolico ha coperto il 2-2,5% dei consumi mondiali di elettricit, tuttavia in alcuni Paesi la produzione di energia eolica una parte molto pi importante del bilancio elettrico nazionale. Per esempio, nel 2011 in Danimarca ben il 26% dellenergia consumata proveniva da fonte eolica, in Spagna il 15,9%, in Portogallo 15,68%, in Irlanda il 12% e in Germania il 10,6%, mentre la Cina, pur essendo in cima alla classifica, copre solo l'1% dei consumi di elettricit con la fonte eolica.

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Oggi, in Italia Anche per quanto riguarda lItalia, landamento della crescita del settore stato esponenziale. I dati dellultimo rapporto dellIEA (TABELLA 2) mostrano come alla fine del 2010 la capacit eolica installata dellItalia fosse di poco inferiore ai 5.800 MW, con un incremento rispetto allanno precedente del 19,5%. stato anche stimato che lindustria eolica italiana abbia fornito unoccupazione a circa 28.000 persone (considerando, in maniera allargata, anche i lavoratori ausiliari del settore), con un giro di affari stimato in circa 1,7 miliardi di euro. Tuttavia, il contributo delleolico alla domanda nazionale di energia elettrica rimasto ancora basso, attestandosi al 2,6%, rispetto ad una domanda nazionale di oltre 320 TWh/anno.

TABELLA 1.3 - Situazione dell'eolico in Italia al 2010 [enea.it]

Potenza eolica installata in Italia 5.797 MW

Potenza eolica installata nel 2010 948 MW

Energia totale prodotta dal vento 8,37 TWh

Domanda nazionale di energia nel 2010 326,2 TWh/anno

Contributo dell'eolico alla domanda nazionale di energia 2,60%

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In Italia, l'energia eolica stata pensata tenendo presente sia una produzione centralizzata in impianti da porre in luoghi alti e ventilati, sia un eventuale decentramento energetico, per il quale ogni comune italiano ha impianti di piccola taglia, composti da un numero esiguo di pale (1-3 turbine da 3 o 4 megawatt) con le quali genera in loco l'energia consumata dai suoi abitanti. Tuttavia, la mancanza di una legge quadro o di un testo unico sulle energie eoliche, diversamente dall'energia solare, considerata una delle cause della lenta diffusione della tecnologia rispetto all'estero. In ogni caso, lItalia attualmente il quarto paese europeo in termini di potenza installata con 8 144 MW.

TABELLA 1.4 - Totale MW installati alla fine del 2009 [energia360.org]

Puglia (1158 MW)

Sicilia (1116 MW)

Campania (809 MW)

Sardegna (586 MW)

Calabria (398 MW)

Molise (241 MW)

Basilicata (227 MW)

Abruzzo (205 MW)

Toscana (45 MW)

Liguria (20 MW)

Emilia Romagna (16 MW)

Piemonte (12 MW)

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I dati del GWEC il Global Wind Energy Council una delle organizzazioni pi importanti nellambito eolico mondiale. Rappresentando pi di 1500 compagnie, organizzazioni e istituzioni in pi di 70 paesi, tra cui aziende, sviluppatori, fornitori, istituti di ricerca, associazioni, fornitori elettrici e aziende finanziare e assicurative, rappresenta lintero settore eolico. Ogni anno viene pubblicato il Global Wind Report, che riporta i dati riguardo il mercato e la crescita delleolico. Nelle prossime pagine mostriamo alcuni grafici del rapporto del 2012 che ben illustrano la crescita esponenziale degli ultimi anni e ne mostrano le differenze geografiche. Risulta evidente il ruolo centrale dellAsia, soprattutto la Cina e in secondo luogo lIndia, e si nota larretratezza di altre regioni come Africa, Medio Oriente e Sud America che non mostrano la crescita delle altre regioni neanche nelle previsioni di mercato. In generale viene comunque configurato uno scenario positivo e di netta crescita per questo settore che attualmente ancora in netta espansione e sembra non volersi arrestare.

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Il futuro Le prospettive future riguardo a questa fonte di energia sono molto promettenti, il mercato in crescita e lo sviluppo di nuove tecnologie continuo. Quasi ogni giorno nascono nuovi prototipi di pala eolica, pi efficienti, pi integrabili nel rispetto del paesaggio, pi potenti. Le migliori promesse sono quelle date dallo sviluppo del minieolico e dal microeolico, dalle turbine integrate negli edifici e dalleolico dalta quota; soprattutto in vista di un ruolo pi incisivo in ambito urbano.

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2. IL VENTO Cenni teorici

Il vento il movimento di una massa d'aria atmosferica da un'area con alta pressione (anticiclonica) ad un'area con bassa pressione (ciclonica). In genere con tale termine si fa riferimento alle correnti aeree di tipo orizzontale, mentre per quelle verticali si usa generalmente il termine correnti convettive che si originano invece per instabilit atmosferica verticale. I venti sono sostanzialmente dovuti al riscaldamento non uniforme della superficie terrestre da parte del sole: nelle zone in cui laria diviene pi calda questa si espande, diventa pi leggera e si solleva creando una zona di bassa pressione, quindi laria pi fredda e pesante proveniente dalle zone circostanti si mette in movimento per prendere il suo posto. Su larga scala si pu osservare alle diverse latitudini una circolazione di masse daria che viene influenzata ciclicamente dalle stagioni; su scala pi piccola, si ha un riscaldamento diverso tra la terraferma e le masse dacqua, con conseguente formazione delle brezze quotidiane di terra e di mare. In definitiva, la radiazione solare va riguardata come un enorme pompa che tiene costantemente in movimento le masse daria, la cui energia cinetica complessiva, secondo le stime, ammonterebbe a circa 1,58x1016 kWh/anno. Se non vi fossero azioni perturbatrici, la direzione del vento coinciderebbe con quella del gradiente di pressione, poich il movimento dellaria diretto dai punti a pressione pi alta verso i punti a pressione pi bassa, cio perpendicolarmente alle isobare (vento di gradiente). In realt, esistono tre notevoli cause di perturbazione: le irregolarit del suolo, la forza deviatrice dovuta alla rotazione terrestre e lattrito (interno e al suolo). A causa di esse si hanno scostamenti pi o meno sensibili della direzione del vento rispetto alla direzione del gradiente di pressione, dipendenti anche dalla latitudine, dallaltezza sul mare, dalla natura del suolo. Lintensit risulta direttamente proporzionale al gradiente di pressione e, a parit di questo, dipende anchessa dalla latitudine, dallaltezza sul mare e dalla natura del suolo. Lintensit del vento misurata dalla sua velocit (espressa in m/s; nella pratica, anche in km/h o in nodi); in base a essa i venti vengono classificati in vari gradi dintensit (o anche, come spesso si dice, di forza): di uso generale la scala Beaufort.

Ai fini dello sfruttamento dellenergia eolica mediante sistemi di conversione in energia elettrica o meccanica importante conoscere, indipendentemente da quale sia il tipo di vento, i seguenti dati: a) la distribuzione della frequenza della velocit media e delle direzioni del vento; b) le variazioni diurne, notturne e stagionali; c) la variazione della velocit del vento con laltezza sopra il suolo; d) lentit delle raffiche nel breve periodo e valori massimi desunti da serie storiche almeno ventennali.

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Energia del vento

Il vento una massa fluida di gas che si muove ad una certa velocit. Se consideriamo una massa

volumica daria che si muove con velocit attraverso unarea

posta ortogonale alla direzione della velocit essa dotata di una potenza pari a:

Pv =

Se data in kg/m3, in m/s, in m2 allora la potenza Pv espressa in W.

Poich al vento viene sottratta una certa quantit di energia cinetica, la velocit sottovento al rotore risulta inferiore a quella sopravento, di conseguenza il diametro del tubo di flusso maggiore alle spalle del rotore rispetto al davanti (figura 2.1). Se poi la superficie considerata circolare, come in pratica succede per quasi tutti i

tipi di turbina eolica, ricordando che larea del cerchio vale

con il diametro in

metri di tale cerchio, lespressione della potenza considerata diviene:

Pv =

2

4

Questa espressione mette in evidenza due peculiarit delle macchine eoliche. Prima di tutto il ruolo fondamentale rivestito dalla velocit del vento che, intervenendo nellespressione con la potenza al cubo, condiziona la grandezza della potenza captabile a parit di superficie spazzata dalle pale, pertanto indispensabile una accurata conoscenza anemologica del sito ove si intendono installare gli aerogeneratori. Naturalmente per come la potenza aumenta rapidamente allaumentare della velocit del vento, cos aumentano in pari misura tutte le sollecitazioni sullaeromotore. La seconda caratteristica messa in evidenza consiste nella necessit di interessare un tubo di flusso sufficientemente ampio per disporre di una potenza sensibile. Infatti la

potenza che pu essere estratta dipende dallarea , pertanto un singolo generatore estrae tanta pi energia quanto maggiore larea spazzata.

Figura 2.1 schema di flusso intorno a una turbina eolica a asse orizzontale [treccani.it]

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Un altro fattore importante dato dalla proporzionalit rispetto alla densit dellaria, pertanto le turbine eoliche devono essere declassate quando operano in climi caldi o sulle montagne.

Tuttavia, la potenza che pu essere estratta dalla massa daria considerata

notevolmente inferiore a Pv. Infatti tale potenza sarebbe totalmente disponibile solo se il vento perdesse tutta la sua energia cinetica: come dire, solo se il vento a valle dellaerogeneratore fosse completamente fermo. Ovviamente ci impossibile; gi Albert Betz (Schweinfurt, 25 dicembre 1885 Gottinga, 16 aprile 1968) ha dimostrato che la massima frazione teoricamente estraibile di tale potenza vale 16/27=0.593 , questo valore deriva dalla teoria del momento assiale con alcune approssimazioni ed noto come limite di Betz, dunque la massima potenza che pu essere estratta dalla massa daria sar pari a:

Pb = 0.593 Pv =0.593

2

4

dove rappresenta il rendimento della macchina.

Una pala essenzialmente unala. La figura 2.2 mostra le diverse forze che agiscono su un segmento di pala. Se chiamiamo la velocit angolare del rotore, la velocit tangenziale di un segmento di pala a distanza dallasse uguale a . La velocit tangenziale dellaria ha praticamente lo stesso modulo. Il vettore di velocit risultante forma un angolo con il piano del rotore, determinato da

=

Langolo tra il piano del segmento di pala e il piano del rotore si definisce angolo di pitch [di passo], mentre langolo tra il vettore del flusso incidente e il piano del segmento di pala si chiama angolo dattacco. Figura 2.2 forze agenti su un segmento di pala

[treccani.it]

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Abbiamo quindi:

= +

La forza aerodinamica su un segmento di pala di area si pu scomporre in una forza di portanza (lift ) (perpendicolare alla direzione del vento apparente sullelemento di pala) e una forza a essa perpendicolare di resistenza (drag) !:

=1

2#

! =1

2#!

In cui # il coefficiente di portanza e #! il coefficiente di resistenza. Come si vede dalla figura, la composizione di queste due forze genera una forza propulsiva $ nel piano del rotore e una forza assiale % perpendicolare alla prima.

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3. TECNOLOGIA

3.1 CONFIGURAZIONE GENERALE

Poich la maggior parte delle turbine eoliche attualmente impiegate sono del tipo ad asse orizzontale (HAWT) la descrizione generale verr fatta con riguardo a questa tipologia. Le altre macchine, comunque, non differiscono di molto nella struttura logica. La configurazione generale di un aerogeneratore prevede un numero variabile di pale[blades] fissate a un mozzo [hub], che nellinsieme costituiscono il rotore [rotor] ; il mozzo a sua volta collegato a un primo albero, detto albero lento, che invia la rotazione a un moltiplicatore di giri[gearbox] da cui parte un albero veloce. Su questultimo sono posizionati un freno[brake] e il generatore elettrico[generator]. Spesso sono presenti anche un sistema di controllo elettronico e altri dispositivi ausiliari. Questi componenti di solito sono tutti contenuti allinterno della gondola o navicella [nacelle] posta su un rullo-cuscinetto (ralla di base) che la collega alla torre [tower]. La navicella normalmente posta sottovento rispetto alle pale in modo da non avere la copertura della torre, ma in rari casi viene situata sopravento, soprattutto nel caso di pale molto flessibili che potrebbero andare a sbattere contro la torre.

Figura 3.1 struttura generale di una turbina eolica a asse orizzontale [ec.europa.eu]

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Pale

Le pale sono gli elementi che interagiscono con il vento e la loro forma progettata in modo da ottenere una buona efficienza aerodinamica. La figura 3.2 mostra il profilo di una tipica pala di turbina, in diverse sezioni lungo il suo sviluppo longitudinale. Al crescere della distanza dallasse del mozzo (raggio) lo spessore della pala diminuisce cos come la corda. La velocit tangenziale di un segmento della pala cresce con il raggio. Dato che si deve diminuire langolo di pitch per poter mantenere un buon angolo di attacco tale da evitare il fenomeno dello stallo (che verr spiegato in seguito), la pala si avvolge di un angolo complessivo di circa 25 tra linizio e lestremit della sezione aerodinamica. Le forze aerodinamiche variano con il quadrato della velocit relativa locale e crescono rapidamente con il raggio. quindi importante progettare la porzione della pala vicina allestremit in modo da avere una buona portanza e una bassa resistenza.

Figura 3.2 tipica forma di una pala e sue sezioni trasverse (ingrandite) [treccani.it]

Le pale sono flessibili e possono subire quindi una deflessione sotto lazione del vento. Per evitare che esse possano sbattere contro la torre, lasse del rotore spesso inclinato di un piccolo angolo. La sezione della pala di una turbina eolica piuttosto spessa, allo scopo di ottenere lelevata rigidit necessaria per resistere ai carichi meccanici variabili che agiscono su di essa nel corso del funzionamento. Questi carichi variabili sono: - la forza centrifuga; - il peso della pala stessa; - il vento, incostante sia per le sue fluttuazioni sia per la sua variazione in funzione dellaltitudine e quindi della posizione della pala. Inoltre necessario effettuare unanalisi accurata per eliminare il rischio di risonanza tra i diversi oscillatori meccanici (pale, torre, organi di trasmissione, ecc.).

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Le pale sono costruite con materiali leggeri: leghe di alluminio, laminati in legno e soprattutto plastiche rinforzate in fibra. Le fibre sono in genere di vetro, ma per le pale pi grandi vengono utilizzate anche le fibre di carbonio nelle parti in cui si presentano i carichi pi critici. Le fibre sono incorporate in una matrice polimerica quale il poliestere, resine epossidiche o resine a base di vinilstirene. La struttura spesso prevede due gusci uniti insieme rinforzati da una matrice interna. La superficie esterna della pala viene infine ricoperta con uno strato levigato di gel colorato, allo scopo di prevenire linvecchiamento del materiale composito causato dalla radiazione ultravioletta. I fulmini costituiscono una delle principali cause di avaria, viene perci fornita una protezione attraverso linstallazione di conduttori, sia sulla superficie della pala sia al suo interno. A seconda della tecnologia utilizzata dal produttore e dalla sua esperienza, le pale possono essere dotate di elementi addizionali, come i generatori di vortice per aumentare la portanza, i regolatori di stallo (stall strip) per stabilizzare il flusso daria o alette inserite allestremit della pala per ridurre la perdita di portanza e il rumore.

Sistemi di regolazione

1. Regolazione passiva di stallo. Al crescere della velocit del vento langolo di attacco sulle pale aumenta, al di sopra di una certa velocit il flusso daria inizia a distaccarsi dalla superficie esterna delle pale. Questo fenomeno di stallo si presenta allinizio in prossimit del mozzo e si estende verso lestremit della pala. Lo stallo progressivo fornisce un meccanismo automatico di regolazione della potenza. questo tipo di regolazione pone dei problemi associati al fenomeno stesso dello stallo: vibrazioni, instabilit, difficolt nella previsione sia dellentrata dello stallo sia del ritorno al flusso laminare.

2. Regolazione attiva. Regolazione di pitch: se si aumenta langolo di pitch riducendo langolo di attacco , la portanza diminuisce e la pala definita come messa in bandiera. Tutte le grandi turbine moderne sono dotate di meccanismi di regolazione del pitch delle pale. Quando la velocit del vento diventa eccessiva, il rotore viene rallentato, ruotando le pale in modo da ridurre il carico aerodinamico.

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Velocit variabile: nelle grandi turbine, accoppiato al regolatore di pitch, spesso presente un allestimento specifico del generatore tramite elettronica di potenza che assicura unerogazione costante di potenza nonostante fluttuazioni del vento anche del 30% rispetto al valore nominale. Quando la forza del vento aumenta il rotore lasciato libero di accelerare per alcuni secondi facendo accumulare energia cinetica nel rotore stesso. Oltre un certo valore entra in azione la regolazione di pitch per mantenere le velocit del rotore entro valori accettabili. Durante un successivo calo di vento lenergia immagazzinata nel rotore verr poi rilasciata.

La figura 3.3 mostra le curve di potenza di una tipica turbina da 400kW, con regolazione passiva di stallo, e di una turbina da 600kW, dotata di sistemi di regolazione attivi. Per entrambe la produzione di energia ha luogo a partire da una velocit minima del vento, detta di cut-in generalmente di 3-4 m/s. La curva di potenza segue, pi o meno, la curva cubica teorica fino alla velocit nominale, rated speed (14-16 m/s). Al di sopra di questa velocit la turbina con regolazione passiva ha una perdita di potenza, mentre quella con regolazione attiva si mantiene pressoch costante. Per motivi di sicurezza tutte le turbine vengono fermate a una soglio detta di cut-off (20-25 m/s).

Mozzo

Le pale sono collegate al mozzo che ospita i meccanismi di regolazione del pitch. Il mozzo di solito un pezzo dacciaio o di ferro a grafite sferoidale ed protetto esternamente da un involucro di forma ovale, lo spinner.

Figura 3.3 curve di potenza [treccani.it]

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Figura 3.4 interno della navicella di una tipica turbina eolica [treccani.it]

Moltiplicatore di giri

Il moltiplicatore di giri impiegato per incrementare la velocit del rotore fino ai valori richiesti dai generatori convenzionali. In alcune turbine il rapporto pu superare 1:100. Leffetto spesso si ottiene in tre fasi separate. Il primo stadio di solito un moltiplicatore planetario, mentre gli altri sono moltiplicatori paralleli o elicoidali. Per diminuire la rumorosit di questo componente si preferisce utilizzare moltiplicatori elicoidali lubrificati con olio refrigerato e filtrato. Questo componente tra le prime cause di guasto nelle turbine eoliche, pertanto si cercano sempre pi soluzioni per eliminarlo, per esempio utilizzando generatori con un elevato numero di poli.

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Generatore

Il generatore o alternatore lunit di trasformazione dellenergia meccanica in energia elettrica. I due tipi principali di generatori sono: asincroni e sincroni.

1. Generatore asincrono I generatori asincroni sono essenzialmente motori sincroni trifase a induzione. Sono caratterizzati da una velocit sincrona, determinata dal numero di poli del rotore e dalla frequenza di rete, allaumentare del numero dei poli la velocit diminuisce. Il rotore viene magnetizzato dalla rete locale prelevando potenza reattiva e viene messo in moto alla velocit sincrona, se la coppia meccanica agente sullalbero aumenta non avremo unaccelerazione del rotore poich il campo magnetico rotante dello statore cerca di mantenere il rotore correttamente orientato rispetto al verso delle sue polarit. Il principio di conservazione dell'energia ci suggerisce che la coppia in ingresso viene in qualche modo trasformata e dissipata per poter mantenere costante la velocit di rotazione; il risultato di questo processo la produzione di energia elettrica che, per mezzo di opportuni dispositivi, viene ceduta alla rete. La differenza tra la velocit effettiva e quella di sincrono detta slip. Normalmente lo slip circa dell 1%, cosicch tali generatori sono considerati dispositivi a velocit costante. Esistono per soluzioni elettroniche che hanno permesso la realizzazione di sistemi a velocit variabile.

2. Generatore sincrono In questo caso il rotore costituito da un insieme di elettromagneti o magneti permanenti e ruota allinterno di uno statore su cui sono presenti gli avvolgimenti su cui vengono indotte le forze motrici che producono corrente elettrica. La frequenza di corrente prodotta da questo tipo di generatore direttamente proporzionale alla velocit di rotazione. Per permettere una modalit di funzionamento a velocit variabile, si converte la corrente a frequenza variabile del generatore in corrente continua, mediante un raddrizzatore elettronico, e si ritrasforma la corrente continua in corrente alternata idonea alla distribuzione sulla rete. Tutti i generatori a trasmissione diretta (direct drive) funzionano secondo questo principio. I generatori di questo tipo sono pi costosi di quelli asincroni, ma lassenza di un moltiplicatore di giri elimina una fonte di problemi di manutenzione e riduce il rumore complessivo della turbina. Per poter produrre la potenza elettrica richiesta, questi generatori hanno un grande diametro.

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La figura 3.5 mostra lo schema di una turbina a trasmissione diretta. La gondola molto pi grande rispetto alle turbine dotate di moltiplicatore di giri e di generatore a velocit di rotazione elevata, come quella mostrata in figura 3.4. Alcuni fabbricanti di turbine propongono una soluzione ibrida, con un generatore che ruota a velocit intermedia e un moltiplicatore di giri con un basso rapporto di moltiplicazione.

Infine la corrente in uscita dal generatore deve essere inviata a un trasformatore che ne aumenti il livello di tensione.

Sistema di imbardata

Lintera gondola viene fatta ruotare sulla sommit della torre da un sistema di imbardata, per fare in modo che il rotore fronteggi sempre il vento. La velocit e la direzione infatti vengono monitorati dai sensori posti sulla sommit della navicella. In genere il rotore viene posizionato secondo la direzione media del vento degli ultimi 10 minuti. I cavi elettrici flessibili, che collegano la gondola alla base della torre, formano un anello al di sotto della navicella, per consentire i movimenti di imbardata. Tali movimenti vengono monitorati: in genere se la rotazione superiore a due giri, la gondola viene imbardata nella direzione opposta durante il periodo successivo di assenza di vento per sbrogliare i cavi.

Figura 3.5 interno di una turbina direct drive [treccani.it]

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Torre

La torre pu essere di lunghezze molto variabili a seconda del tipo di turbina, generalmente vengono utilizzate due tipologie: tubolari e a traliccio.

1. Tubolari: le torri tubolari a forma conica sono le pi utilizzate e sono generalmente in acciaio laminato, anche se alcune sono anche in cemento. Le diverse sezioni sono collegate da flange imbullonate. Hanno il vantaggio di poter ospitare in sicurezza al loro interno la strumentazione e laccesso per le manutenzione, che pu essere anche tramite ascensore.

2. A traliccio: le prime turbine eoliche erano installate su torri a traliccio, attualmente vengono utilizzate solo in caso di scarse risorse locali.

Le torri sono fissate al terreno grazie a fondamenta costituite in genere da piastre di cemento collocate a una certa profondit. Esistono anche torri con perni che permettono alla pala di essere posta in posizione orizzontale e assicurata al terreno, queste vengono utilizzate per le turbine situate in zone cicloniche quando vengono previsti venti troppo forti.

Dispositivi ausiliari

Allinterno della gondola possono essere inseriti vari dispositivi ausiliari tra cui:

Freno: un freno meccanico installato sullalbero di rotazione veloce per bloccare la turbina in condizioni meteorologiche avverse o per permettere la manutenzione.

Sistema di lubrificazione: per mantenere oliati il moltiplicatore di giri o altre parti meccaniche.

Scambiatori di calore: per il raffreddamento dellolio e del generatore. Anemometri e altri sensori: per inviare segnali al sistema di controllo. Luci di segnalazione: per questioni di sicurezza legate alla navigazione aerea.

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3.2 CLASSIFICAZIONE

Dopo i notevoli sviluppi dellultimo secolo, attualmente esiste un elevato numero di tipologie di macchine eoliche che possono essere classificate in base a vari parametri. Di seguito vengono proposti i pi utilizzati.

Energia prodotta

1. Aeromotori: trasformano lenergia meccanica dellalbero in rotazione per movimentare fluidi (aeropompe), per frantumare materiale (mulini), per azionare macchine operatrici (motori primi eolici).

2. Aerogeneratori: trasformano lenergia meccanica in energia elettrica, ormai sono le macchine eoliche per eccellenza e in particolare sono quelle di cui noi ci occupiamo.

Design

1. Ad asse orizzontale (HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine). 2. Ad asse verticale (VAWT = Vertical Axis Wind Turbine). 3. Dalta quota (HAWP = High Altitude Wind Power). 4. Design non convenzionale.

Forza aerodinamica sfruttata

1. Portanza [lift]: le pale funzionano come lala di un aereo. 2. Trascinamento [drag]: le pale fanno da vela e vengono trascinate dal vento.

Taglia di potenza (valori indicativi)

1. Taglia piccola (P < 40kW): - microeolico (P < 10kW); -minieolico (10kW < P < 40kW).

2. Taglia media (40kW < P < 1000kW). 3. Taglia grande (P > 1MW).

Numero di pale

3. Multipala: con albero lento e solitamente utilizzato come aeromotore. 4. A bassa solidit: con pale da 1 a 4 e rotore veloce, sono i pi comuni.

Sito dinstallazione

1. On-shore: posizionati sulla terraferma. 2. Off-shore: posizionati in mare.

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Impianto

1. Stand-alone: gli impianti consistono in una sola turbina, normalmente questo tipo di impianto viene utilizzato per leolico di piccola taglia ad uso privato.

2. In cluster: impianti di numerose turbine eoliche collegata alla rete di potenza.

Classi IEC Raramente quando si progetta una turbina si conoscono le condizioni meteorologiche del sito in cui andr ad operare, pertanto devono essere fatte delle ipotesi a riguardo. Per permettere la caratterizzazione delle turbine eoliche e facilitarne la scelta in relazione alle caratteristiche del sito candidato per l'installazione, la Commissione Elettrotecnica Internazionale (CEI, in inglese IEC) classifica le turbine eoliche in varie classi individuate dai parametri relativi al vento, determinabili con studi anemometrici, quali: - velocit di riferimento, massima velocit media del vento (calcolata su un intervallo di 10 minuti) all'altezza del mozzo del motore nell'arco di 50 anni; - velocit media, la quale va misurata all'altezza del mozzo e che in primissima approssimazione pu essere ricavata dalle mappe eoliche del territorio italiano; -raffica di vento pi forte, verificata nell'arco di 50 anni; - turbolenza.

Figura 3.6 parametri base delle classi IEC [wind turbine technology]

La commissione IEC ha stabilito ulteriori norme anche riguardo al design delle turbine eoliche, per maggiori informazioni si fa riferimento alla norma IEC 61400.

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3.3 TIPOLOGIE

Come abbiamo visto esistono numerose tipologie di turbine eoliche, la principale classificazione a cui si fa sempre riferimento quella tra HAWT e VAWT. Andiamo dunque ad analizzare le differenze tra queste due macrocategorie e le ulteriori differenziazioni che si possono trovare al loro interno. Prima di tutto bisogna considerare che mentre per le turbine ad asse orizzontale la geometria delle pale che raccolgono lenergia cinetica del vento pressoch univoca, nelle classi di turbine ad asse verticale troviamo diversi tipi di soluzioni. Tuttavia il funzionamento, al di l delle geometrie e delle particolarit, schematizzabile come in figura 3.7 per ogni tipo di turbina.

Figura 3.7 funzionamento generale turbine eoliche [energyhunters.it]

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In un qualsiasi generatore eolico, generalmente, lenergia passa da aerodinamica a meccanica e da meccanica a elettrica. Questi passaggi non sono per gratis, durante ogni passaggio la quantit di energia trasmessa sempre minore di quella allinizio della trasformazione. Mentre per le perdite meccaniche, del sistema di controllo e di adattamento alla rete elettrica sono dellordine di qualche percentile, la conversione aerodinamica-meccanica ha un rendimento massimo ideale fissato al 59% se assumiamo valide le ipotesi del limite di Betz. Ai fini di comparare le prestazioni delle varie turbine ci occuperemo di seguito della sola conversione aerodinamico/meccanica. Ricordiamo la formula della massima potenza estraibile da un flusso ventoso e inseriamo il parametro #&, il coefficiente di potenza che determina le perdite aerodinamiche:

'( =1

2#&

Tralasciando quindi tutti gli altri coefficienti (che si possono assumere come costanti una volta individuato il sito e la geometria della pala), concentriamoci sul coefficiente di potenza (di seguito #&), parametro che determina univocamente tutte le perdite aerodinamiche. Questo parametro dipende dalla geometria delle pale e della turbina, dalla velocit del vento, dallinclinazione delle pale e quindi da tutti i parametri di forma del generatore eolico. Una volta tenuto conto dei parametri geometrici il coefficiente di potenza dipende soltanto dal )* (Tip Speed Ratio). Questo parametro indicativo del rapporto fra la velocit del rotore della turbina e la velocit del vento ed definito come:

)* =

-

In cui la velocit del rotore [rad/s], - la velocit del vento [m/s] e il raggio (o raggio equivalente) del rotore. Come si intuisce, una volta fissata la velocit del vento, essendo il raggio della pala costante, il TSR dipende univocamente dalla velocit di rotazione della turbina stessa. Avendo introdotto anche questultimo parametro siamo pronti a analizzare le differenze di prestazione delle varie turbine eoliche. Nella figura 3.8 si rappresenta landamento del punto di massimo del #& al variare del )* per le principali tipologie di turbine eoliche esistenti.

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Gli andamenti rappresentati in figura 3.8 sono emblematici: le turbine ad asse verticale hanno coefficienti di potenza minori di quelle classiche ad asse orizzontale; questultime, infatti, raggiungono i massimi valori di efficienza con )* pi elevati ma danno prestazioni molto maggiori.

Figura 3.8 andamento del ./ rispetto al 012 [energyhunters.it]

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Generatore ad asse orizzontale I generatori eolici ad asse di rotazione orizzontale al suolo, HAWT, sono i pi tradizionali e sono stati gi descritti nel capitolo precedente. Le ragioni di questo enorme successo sono ovviamente da ritrovarsi nei rendimenti che sono, a parit di potenza, molto maggiori di quelle delle turbine ad asse verticale. Questa famiglia di turbine suddivisibile a sua volta cos: - Turbine sopravento o upwind: sono la quasi totalit delle turbine ad asse orizzontale presenti nel mondo. In queste turbine, seguendo la direzione del flusso di vento, esso prima incontra il rotore, poi fluisce intorno alla navicella e quindi passa oltre. - Turbine sottovento o downwind: sono molto pi rare delle upwind e funzionano praticamente al contrario. In queste turbine, il vento prima fluisce intorno alla navicella poi investe il rotore e quindi passa oltre.

Figura 3.9 e figura 3.10 confronto tra upwind e downwind [mstudioblackboard.tudelft.nl] e [windscout.co.uk]

Le turbine ad asse orizzontale possono avere 1,2,3 o pi pale che costituiscono il rotore. Senza addentrarci nei particolari basti sapere che aumentare il numero di pale significa variare la velocit del rotore a parit di vento e coppia resistente. Numerosi studi sono stati compiuti in questo senso ma il risultato che la configurazione con 3 pale quella che ha avuto maggior successo, essa rappresenta il tradeoff massimo fra lobiettivo di non perturbare troppo il flusso daria (che deve rimanere quanto pi laminare possibile) e la capacit di avere rendimenti elevati, in pi consente di distribuire in modo pi uniforme i momenti flettenti che agiscono sui cuscinetti dellalbero.

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Dunque i rotori ad asse orizzontale sono del tipo:

Monopala, con contrappeso: sono le pi economiche, ma essendo sbilanciate generano rilevanti sollecitazioni meccaniche e rumore; sono poco diffusi e quasi assenti dal mercato.

Bipala: hanno due pale poste a 180 tra loro, ovvero nella stessa direzione e verso opposto. Hanno caratteristiche di costo e prestazioni intermedie rispetto alle altre due tipologie; sono abbastanza diffuse per installazioni minori.

Tripala: hanno tre pale poste a 120 una dall'altra: sono pi costose, ma essendo bilanciate, non causano sollecitazioni scomposte, sono affidabili e silenziose.

Multipala: poco efficienti e con albero troppo lento per essere utilizzate nelle turbine medio-grandi, trovano applicazione quasi esclusivamente nelleolico di piccola taglia.

Figura 3.11 monopala [desenchufados.net]

Figura 3.12 bipala [rincondelvago.com]

Figura 3.13 tripala [panoramio.com]

Figura 3.14 multipala [specialistaenergiaverde.com]

Vediamo un esempio di HAWT: la piccola taglia da 5kW. Questa la sua power curve:

La curva della evanceR9000 essa inizialmente cresce con il cubo della velocit del vento poi, quando il coefficiente di potenza moltiplicato per gli altri fattori comincerebbe a decrescere (in questo caso a circa 12 m/s), ilmantenere il Cp al massimo valore possibile fino alla velocit di cut

Figura 3.16 alcune caratteristiche della evance R9000 [energyhunters.it]

Figura 3.15 power curve e immagini della evanceR9000 [energyhunters.it]

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Vediamo un esempio di HAWT: la R9000 della EVANCE, una turbina eolica di

:

La curva della evanceR9000 si pu dire caratteristica di una classica turbina eolica: essa inizialmente cresce con il cubo della velocit del vento poi, quando il coefficiente di potenza moltiplicato per gli altri fattori comincerebbe a decrescere (in questo caso a circa 12 m/s), il controllo della turbina modifica il TSR al fine di mantenere il Cp al massimo valore possibile fino alla velocit di cut

alcune caratteristiche della evance R9000 [energyhunters.it]

curve e immagini della evanceR9000 [energyhunters.it]

, una turbina eolica di

si pu dire caratteristica di una classica turbina eolica: essa inizialmente cresce con il cubo della velocit del vento poi, quando il coefficiente di potenza moltiplicato per gli altri fattori comincerebbe a decrescere (in

controllo della turbina modifica il TSR al fine di mantenere il Cp al massimo valore possibile fino alla velocit di cut-out.

Generatore ad asse verticale

Un generatore eolico ad asse di rotazione verticale al suolo, VAWT, un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantit di parti mobili nella sua struttura, il che le conferisce un'alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la possibilit di sfruttare qualsiasi direzione del vento senza doversi orientare continuamente. una macchina molto versatile,come alla produzione centralizzata di energia elettrica nell'ordine del Su tutta la classe di VAWT pesa il fatto che, mentre una parte del rotore, indipendentemente da dove provenga il vento, spira nella direzione del vento che aiuta il movimento delle pale, dallaltra parte il vento fluir sempre nopposta alla rotazione, ci crea una coppia oscillante sullalberoconsiderazione alla base del minore rendimento aerodinamico rispetto alle HAWT.La sostanziale minore efficienza rispetto a quelle con asse orizzontale (30fatto confinato l'impiego alleolico di piccola taglia con rarissime eccezioni che hanno avuto scarso seguito. Negli ultimi anni stanno risvegliando l'interesse di alcune ricercatori che hanno cercato di ottimizzarecompetitive: gli ultimi prototipi, funzionando in pi ore l'anno rispetasse orizzontale e hanno un rendimento complessivo maggiore

Esistono varie tipologie di VAWT, di seguito vengono riportate le principali.

Figura 3.17 SAVONIUS [geektecher.org]

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Generatore ad asse verticale

ad asse di rotazione verticale al suolo, VAWT, un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantit di parti mobili nella sua struttura, il che le conferisce un'alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la

alsiasi direzione del vento senza doversi orientare continuamente. una macchina molto versatile,teoricamente adatta all'uso domestico come alla produzione centralizzata di energia elettrica nell'ordine del Su tutta la classe di VAWT pesa il fatto che, mentre una parte del rotore, indipendentemente da dove provenga il vento, spira nella direzione del vento che aiuta il movimento delle pale, dallaltra parte il vento fluir sempre n

, ci crea una coppia oscillante sullalbero. Questa semplice considerazione alla base del minore rendimento aerodinamico rispetto alle HAWT.La sostanziale minore efficienza rispetto a quelle con asse orizzontale (30

to l'impiego alleolico di piccola taglia con rarissime eccezioni che

Negli ultimi anni stanno risvegliando l'interesse di alcune aziende e gruppi di cercato di ottimizzare queste macchine, rendendole molto

gli ultimi prototipi, funzionando in pi ore l'anno rispethanno un rendimento complessivo maggiore rispetto al passato

Esistono varie tipologie di VAWT, di seguito vengono riportate le principali.

Figura 3.18 DARREIUS [geekteacher.org]

Figura 3.19 [geekteacher.org]

ad asse di rotazione verticale al suolo, VAWT, un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantit di parti mobili nella sua struttura, il che le conferisce un'alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la

alsiasi direzione del vento senza doversi orientare adatta all'uso domestico

come alla produzione centralizzata di energia elettrica nell'ordine del megawatt. Su tutta la classe di VAWT pesa il fatto che, mentre una parte del rotore, indipendentemente da dove provenga il vento, spira nella direzione del vento che aiuta il movimento delle pale, dallaltra parte il vento fluir sempre nella direzione

. Questa semplice considerazione alla base del minore rendimento aerodinamico rispetto alle HAWT. La sostanziale minore efficienza rispetto a quelle con asse orizzontale (30%) ne ha di

to l'impiego alleolico di piccola taglia con rarissime eccezioni che

aziende e gruppi di e, rendendole molto

gli ultimi prototipi, funzionando in pi ore l'anno rispetto a quelle ad rispetto al passato.

Esistono varie tipologie di VAWT, di seguito vengono riportate le principali.

Figura 3.19 GIROMILL [geekteacher.org]

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Savonius La turbina Savonius concentra i suoi focus progettuali per evitare il problema del vento in direzione contraria da un lato della turbina: essa infatti costituita da due semigusci (nella versione pi semplice) i quali non sono per uniti al rotore della turbina, bens sono disposti in modo che una parte dei semigusci sia a comune e faccia fluire laria di spinta anche nella parte controvento. La sua semplicit concettuale lo rende particolarmente adatto all' autocostruzione.

Figura 3.20 GORLOV [thingiverse.com]

Figura 3.21 FLAPPING PANEL [geekteacher.org]

Figura 3.22 savonius [energyhunters.it]

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Le turbine Savonius possono essere pi o meno grandi (altezza e diametro) e con pi o meno semigusci. Analisi agli elementi finiti e numerosi studi hanno per concluso che la migliore configurazione di turbina Savonius quella che prevede 2 semigusci e in cui laltezza del rotore doppia rispetto al suo diametro. Questa configurazione geometrica realizza il massimo Cp che varia ovviamente con il TSR. La potenza immessa in rete sar pari a:

' = #&3*

Il coefficiente di potenza Cp ha il suo massimo intorno al valore di 0,2 per TSR bassi che obbligano i progettisti a dimensionare la turbina per basse velocit di rotazione. Questa turbina risente di oscillazioni di coppia dovute alla diversa posizione del rotore rispetto al vento. Un esempio di turbina Savonius la GEOL da 2kW, questa la sua curva di potenza e alcune caratteristiche.

Figura 3.23 e 3.24 curva di potenza e alcune caratteristiche della Geol-2kW [energyhunters.it]

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Una particolare sottotipologia di queste turbine sono le twisted Savonius. Tramite una rotazione intorno allasse centrale di una pala Savonius si viene a creare una forma elicoidale, che permette una migliore distribuzione della pala in qualsiasi posizione arrivi il vento. Ci permette anche di ridurre le oscillazioni di coppia.

Lazienda finlandese Windside riuscita a progettare vari modelli con questa tecnologia riscuotendo un discreto successo. Il modello di punta la WS-12 che, con unarea spazzata di 12 4, riesce a produrre 8640 kWh/anno con una velocit media del vento di 5m/s e 48298 kWh/anno con velocit media di 10m/s. Essendo molto adatte allinstallazione urbana, possono essere anche integrate negli edifici, un esempio celebre dato dalla Pearl River Tower di Guangzhou, China.

Figura 3.25 turbina windside [bettergeneration.co.uk]

Figura 3.26 Pearl River Tower [wikipedia.com]

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Darreius Le turbine Darreius, come le HAWT sfruttano il fenomeno della portanza per mettere in movimento il rotore; ma, grazie a una forma detta a frollino [eggbeater] , lasse messo in rotazione in posizione verticale. Non volendo entrare nei dettagli aerodinamici delle forza agenti su una turbina Darreius ci limitiamo a riportare sotto la formula che esprime la coppia M che una turbina di questo tipo eroga durante il normale funzionamento:

5 =1

4#637

Da cui la potenza:

' =1

2#&37

Dove la densit dellaria [Kg/m3], H laltezza della turbina dal mozzo [m], D il diametro massimo delle pale della turbina [m], V la velocit del vento [m/s], Cm il coefficiente di coppia adimensionale tipico di ogni turbina Darreius che oscilla fra valori negativi (-0,1) e positivi (0,6) a seconda della posizione del rotore.

Attualmente le turbine Darreius sono rare sul mercato, soppiantate dalle loro varianti Giromill e Gorlov. Durante gli anni 80 negli USA e nel Canada ci sono stati tentativi di creazione di impianti importanti, ma in genere sono falliti e non hanno avuto seguiti. Analizzeremo comunque una di quelle macchine, la turbina da 250kW della Flowind, azienda non pi presente sul mercato a causa fallimento.

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Di seguito riportiamo landamento del coefficiente di coppia di una turbina tripala per mostrarne loscillazione, delle fotografie della turbina della Flowind con relativa curva di potenza e alcune caratteristiche.

Figura 3.27 grafico coeff. di cppia, fotografie turbina Flowind e power curve [energyhunters.it]

Figura 3.28 alcune caratteristiche della turbina Flowind [energyhunters.it]

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Giromill Progettate sempre da Darreius, funzionano con gli stessi principi, ma hanno forma di H o di A. Invece di avere delle pale curve, queste sono dritte e vengono collegate al mozzo centrale tramite dei supporti orizzontali.

Una variante delle Giromill sono le Cycloturbine, essenzialmente delle Giromill con il controllo di passo. Un esempio di turbina Giromill offerto dallazienda italiana Ropatec, vediamo qualche dato del modello BIG STAR VERTICAL da 20kW.

Figura 5 dati ropatec big star vertical [ropatec.com]

Figura 3.29 giromill [windturbine-performance.com]

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Gorlov La turbina Gorlov, detta anche a pale elicoidali, fu inventata dal professor Alexander M.Gorlov e brevettata fra il 1995 e il 2001. Questa turbina nasce essenzialmente come una derivazione evoluta della turbina Darreius. La sua caratteristica principale risiede nel twist delle pale del rotore. Le pale del rotore sono infatti avvolte intorno allasse rotante con un certo angolo iniziale detto angolo di twist. Questa evoluzione nasce per riparare ad alcuni inconvenienti comuni a tutte le turbine ad asse verticale, introducendo:

1. Una migliore coppia rotante con minori effetti di inversione e una curva di coppia meccanica Cm pi regolare.

2. Una drastica riduzione dei problemi di avviamento dovuti allangolo di presa del fluido. La coppia di partenza di tutte le VAWT dipende infatti dallangolo con cui il fluido aderisce alla pala: se esso assume particolari valori la pala non inizia la rotazione; la turbina Gorlov, avendo pale twisted ha a disposizione lungo lo sviluppo del rotore un range di angoli di attacco validi per partire, accorgimento questo che facilita lavvio.

I test hanno dimostrato che il coefficiente di potenza Cp di queste turbine pu arrivare e forse superare leggermente il valore di 0,3. Vale la pena sottolineare che la turbina Gorlov ad oggi utilizzata anche come turbina principale per lo sfruttamento dell' energia marina legata a correnti o maree: essa sembra infatti adattarsi bene a fluidi compatti con alti numeri di Reynolds.

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Una tipica turbina di Gorlov il modello QR5 della Quiet Revolution. Di seguito riportiamo la curva di potenza e alcune caratteristiche.

Figura 3.31 e 3.32 power curve e alcune caratteristiche della qr5 [energyhunters.it]

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Flapping panel Lidea alla base delle turbine Flapping panel, ovvero a pannelli mobili, quella di attenuare la resistenza nell'azione controvento adottando delle semipale mobili che si aprono nella fase passiva e si presentano chiuse nella fase attiva. Sebbene lidea sia ingegnosa questo tipo di turbine non riscuote successo a causa delle numerose parti mobili necessarie e del rumore che provocano. Uno dei pochi modelli un progetto ad opera di un gruppo di tecnici spagnoli, ma i dati reperibili a proposito sono molto scarsi.

Figura 3.33 aerogeneratore W.M. [energiadalvento.com]

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HAWT vs VAWT Ecco una tabella riassuntiva dei pregi e dei difetti riscontrabili mediamente nelle turbine ad asse orizzontale e ad asse verticale.

PREGI DIFETTI HAWT Alta resa aerodinamica.

Produzione di energia quasi doppia a parit di area spezzata.

Cut-in fisso e pi basso.

Pi rumorose. Maggiore impatto visivo. Perdite di allineamento con il flusso

ventoso in condizioni turbolente.

VAWT Maggiore compattezza. Meno rumorose. Costi minori (mediamente 7-

10% in meno). Pi adatte al contesto

urbano. Miglior assorbimento dei

venti turbolenti.

Oscillazioni di coppia sullalbero (minori con geometria twisted-elicoidale).

Minore produzione di energia. Cut-in dipendente dalle condizioni

generali del vento e pi elevato (parzialmente risolto con geometria twisted-elicoidale).

Bassa resa aerodinamica.

Nonostante il loro predominio sul mercato le HAWT e le VAWT non sono le uniche tecnologie possibili per sfruttare lenergia eolica, un buon macrogruppo costituito dalle macchine che sfruttano i venti dalta quota (HAWP = High Altitude Wind Power) a cui si aggiungono le numerose nuove tecnologie scoperte dai ricercatori di tutto il mondo. Queste possibilit essendo ancora relativamente giovani e poco studiate portano continuamente a nuovi prototipi innovativi che, nonostante attualmente non siano presenti sul mercato, probabilmente vi entreranno a breve. Nei prossimi capitoli verr fatto un veloce riassunto di ci che rintracciabile in rete, poich tali tecnologie sono ancora rare o per lo pi solo accennate in letteratura. Si fa presente che, purtroppo, data la natura sperimentale di questi prototipi i dati disponibili sono ancora scarsi.

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Eolico dalta quota I venti ad alta quota sono pi potenti e pi costanti, per questo una delle sfide per il futuro sar rendere una realt consolidata le macchine eoliche dalta quota, High Altitude Wind Power (HAWP). Il concetto quello di avere una macchina che catturi lenergia cinetica dei venti ad alta quota, con un sistema che trasmetti tale energia a terra. Oltre alla maggiore potenza sfruttabile, un altro aspetto positivo dato dalla possibilit di regolare laltezza della macchina in modo da sfruttare sempre in modo efficiente le correnti daria.

Esistono varie proposte su come raccogliere questa energia, tramite: aquiloni, aerostati, kytoon (degli aquiloni gonfiati con gas leggeri come nel caso degli aerostati, il termine deriva da kyte + baloon), alianti, alianti con turbine, turbine integrate negli edifici, ecc.. Spesso aquiloni, aerostati, kytoon e alianti vengono utilizzati per trainare cavi che portano in rotazione rotori ad asse orizzontale posti a terra oppure vengono utilizzati in gruppo per mettere in rotazione rotori ad asse verticale tramite movimenti controllati e sincronizzati. Invece gli alianti con turbine o le turbine integrate negli edifici vengono utilizzate come normali VAWT o HAWT per poi mandare tramite cavi lenergia elettrica generata a terra, alcuni ultimi prototipi come lo Skymill, costituito da un aerostato che sorregge un rotore, prevedono lutilizzo di cavi speciali per portare il movimento rotazionale a un generatore posto a terra, in questo modo la macchina risulta molto pi leggera e ci permette di raggiungere con pi facilit altezze elevate.

Figura 3.35 singolo aquilone [kitegen.com] Figura 3.36 aquiloni in gruppo [ecofriend.com]

Figura 3.34 schema di un tipico impianto dalta quota [ecofriend.com]

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Figura 3.37 aliante con turbine [ecofriend.com] Figura 3.38 aerostato con turbina [futuristicnews.com]

Figura 3.39 Il primo grattacielo al mondo con turbine integrate, il Bahrain World Trade Center (2008) [altervista.org]

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Nuove tecnologie Negli ultimi anni la corsa allutilizzo di nuove tecnologie per sfruttare lenergia del vento si fatta sempre pi avvincente, i nuovi prototipi e le nuove proposte si susseguono a un ritmo difficile da seguire. Ecco un elenco veloce delle macchine che probabilmente tra qualche anno potrebbero affacciarsi sul mercato: A differenza di pressione

sviluppate dalla Shinyeon Energy Research Center of Korea. Maggiori info su: http://peswiki.com/index.php/Directory:Shinyeon_Energy_Research_Center

Bladeless (senza pale)

modello EWICON sviluppato dal Delft University of Technology, non ha nessuna parte meccanica mobile e funziona grazie al movimento di goccioline dacqua cariche elettricamente. La produzione di energia elettrica avviene tramite un processo detto "electrospraying", cio lo spostamento di goccioline d'acqua

cariche in direzione opposta a quella di un campo elettrico esistente che si compone di due conduttori elettrici posti a 42 cm di distanza uno dall'altro. Maggiori info su: http://www.ewi.tudelft.nl/en/current/ewicon/ http://ambiente.regione.emilia-romagna.it/rubriche/emilia-romagna-europa/ewicon-gocce-dacqua-e-leolico-dice-addio-alle-turbine

Figura 3.40 differenza di pressione [www.peswiki.com]

Figura 3.41 Bladeless [www.pureenergyblog.com]

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Bumblebee design (a forma di bombo) Sviluppate dalla Green Wavelenght hanno un design ispirato alla forma dellaculeo dei bombi, dovrebbero avere una maggiore efficienza. Maggiori info su: http://www.greenwavelength.com/products/

http://www.gizmag.com/xbee-wind-turbine-green-wavelength/13279/?utm_source=PESWiki.com

Heliwind sviluppate dallazienda omonima, sono sostanzialmente degli aerostati elicoidali agganciati a terra ad un generatore messo in rotazione dallelica stessa. Sono pi economici, silenziosi e non risultano un pericolo per gli uccelli, ma hanno un forte impatti visivo.

Figura 3.43 e 3.44 Heliwind [www.peswiki.com]

Maggiori info su: http://peswiki.com/index.php/Directory:HeliWind http://www.hicon.us/gpage7.html http://www.energykitesystems.net/0/HeliWind/index.html http://www.hicon.us/downloads/Wind%20Helix%203.pdf

Figura 3.42 bumblebee [www.gizmag.com]

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A pala orizzontale sviluppate dalla Derbyshire in collaborazione con la Nottingham Trent University, hanno pale simili a quelle degli aerei, sono teoricamente senza rumore e dovrebbero produrre energia anche a velocit molto basse. Maggiori info su: http://www.winddaily.com/reports/New_style_turbine_to_harvest_wind_energy_999.html

MagLev (a levitazione magnetica) progettate dalla MagLev Wind Turbine Technologies, promettono di ridurre sensibilmente gli attriti e quindi di aumentare lefficienza. Maggiori info su: http://peswiki.com/index.php/Directory:MagLev_Wind_Power_Generator

Figura 3.45 a pala orizzontale [www.winddaily.com]

Figura 3.46 maglev [www.treehugger.com]

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A effetto Magnus Leffetto Magnus, scoperto da Heinrich Gustav Magnus (1802-1870), il responsabile della variazione della traiettoria di un corpo rotante in un fluido in movimento. Esempi pratici sono il colpo top spin del tennis o i tiri a effetto nel calcio. Questo fenomeno causato dal fatto che un corpo in rotazione tende a trascinare con se il flusso di fluido adiacente alla sua superficie. Dunque un corpo in rotazione immerso in un flusso laminare di fluido creer una zona in cui il fluido va pi veloce, dove la rotazione concorde al flusso, e una zona in cui il fluido andr conseguentemente pi lento. A causa di questa differenza di velocit si crea anche una differenza di pressione che genera una forza laterale. Esistono diversi prototipi sviluppati da varie aziende che sfruttano questo principio, ma sono tutti poco rilevanti sul mercato. La Mecaro ha brevettato una HAWT con pale cilindriche, mentre la Mageen ha progettato un aerostato messo in rotazione dai venti dalta quota. Maggiori info su: http://www.mecaro.jp/eng/ http://peswiki.com/index.php/Directory:Magenn

Figura 3.47 e 3.48 la turbina della Mecaro [mecaro.jp]

Figura 3.49 la macchina della Mageen [www.expensive.name]

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Ad ali oscillanti progettate dalla WindWings sono basate su un ala imperniata su una leva che oscilla salendo e scendendo. Maggiori info su: http://www.vortexosc.com/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=87

Figura 3.50 immagine descrittiva del funzionamento dell ala oscillante [www.vcstar.com]

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Con piezoelettrici concepite nellintento di catturare lenergia delle vibrazioni causate dal vento tramite piezoelettrici. La piezoelettricit (la parola deriva dal greco , premere, comprimere) la propriet di alcuni cristalli di generare una differenza di potenziale quando sono soggetti ad una deformazione meccanica. Tale effetto reversibile e si verifica su scale dell'ordine dei nanometri. Maggiori info su: http://atelierdna.com/masdarwindstalk/ http://www.gizmag.com/windstalk-concept/16647/?utm_source=PESWiki.com http://peswiki.com/index.php/Directory:Rick_Dickson:Wind_Tree

Figura 3.51 piezoelettrici [www.gizmag.com] Figura 3.52 piezoelettrici [www.creativemachine.cornell.edu]

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Turbina di Tesla il modello sviluppato dalla TESNIC si basa sui principi della turbina di Tesla: una turbina eolica ad asse verticale, formata da un rotore con pi di 200 dischi impilati uno sopra l'altro e separati da una stretta fessura (circa 2 mm). Per funzionare sfrutta uno degli effetti dello strato limite (effetto Coand) che consiste nella "adesione viscosa" o rallentamento di un fluido che scorra in prossimit di una superficie. Tale rallentamento porta ad una riduzione dell'energia cinetica del fluido, cedendola alla superficie stessa, se la superficie ha forma di un disco, la quantit di moto verr trasferita dal fluido alla turbina, per cui si avr la generazione di una coppia motrice che far ruotare il rotore. Maggiori info su: http://peswiki.com/index.php/Directory:TESNIC http://www.tesnic.com/ http://solaraero.org/

Figura 3.54 dettaglio tesnic [www.pesn.com]

Figura 3.53 tesnic [www.pureenergysystems.com]

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Sky serpent Lo sky serpent sviluppato dalla azienda americana Selsam usa rotori multipli agganciati a un singolo generatore. Ci sono vari modelli che utilizzano motori multipli, ma lo sky serpent si distingue dai concorrenti per la distanza e langolo che c tra ogni turbina, il quale dovrebbe essere studiato per far si che non si ostacolino a vicenda. Maggiori info su: http://www.selsam.com/

Figura 3.55 sky serpent [selsam.com]

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Spiral drag essenzialmente una turbina ad asse verticale simile alle Savonius, ma con geometria conica e forma delle pale a spirale. Maggiori info su: http://www.fundamentalform.com/index.html

Figura 3.56 alcuni disegni e alcune parti della spiral drag [fundamentalform.com]

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Blade Tip Power System Tecnologia sviluppata dalla Windtronics e applicata alla turbina Honeywell, consiste in una turbina ad asse verticale multipala con un sistema di magneti e statori inseriti in un anello esterno. Grazie a questa tecnologia la turbina senza ingranaggi e di dimensioni pi compatte. Nonostante queste qualit lazienda fallita nel 2013 e il modello non pi in produzione, ma non si escludono nuovi prototipi che sfruttino una tecnologia simile. Maggiori info su: http://skwindtronics.com/index.php#about http://www.windtronics.eu.com/ http://www.freepowerwindturbines.com/

Figura 3.57 e 3.58 la Honeywell della Windtronics

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Windbelt La Windbelt una macchina sviluppata dalla Humdinger Wind Energy che sfrutta il fenomeno del flutter aeroelastico, il quale consiste in una vibrazione autoeccitata che si instaura in una struttura elastica in moto relativo rispetto a un fluido. Un tipico esempio di questo fenomeno il crollo del Tacoma Narrows Bridge. Lazienda produttrice ha gi messo in commercio il modello micro, una macchina lunga pochi centimetri in grado di produrre potenza nellordine dei micro watt e pensata per fornire energia a sensori e piccole attrezzature. Sono in via di sviluppo un modello medium, lungo un metro, e un modello large, formato da varie unit tenute insieme in un pannello. Maggiori info su: http: