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I Semafori smart – Parte 1

luglio 3, 2018 Comments (0) Ingegneria, Ingegneria Energetica, Uncategorized

Energia dal vento – La turbina eolica

In questo e nei prossimi articoli inizieremo a trattare il tema dell’ energia eolica, intesa come energia cinetica ricavabile da una massa d’aria in movimento quale, ad esempio, il vento.

La storia dell’ energia eolica ha origine già nel 2000 a.C quando in Persia venne realizzato il primo mulino a vento, che sfruttava quest’ ultimo per produrre energia meccanica utile a scopi agricoli. Nel corso dei secoli l’ uomo migliorò quel suo rudimentale primo esperimento finché, con l’ invenzione della dinamo, non vennero realizzate le prime turbine eoliche alla fine del XIX secolo, le quali convertivano l’energia eolica in elettrica.

La diffusione degli impianti eolici

Gli impianti eolici hanno avuto una grande diffusione tra il 1997 ed il 2008, nei quali nazioni come Germania, Stati Uniti e Cina hanno investito ingenti somme per sfruttare al meglio l’ energia rinnovabile del vento.

Dopo una leggera crisi nel 2009, gli impianti eolici hanno trovato nuovi investitori e, come riportato dalla World Wind Energy Association, nel 2010 l’energia eolica ha generato 430 TWh, pari a circa il 2,5% di tutta l’energia elettrica utilizzata in scala mondiale.

Nella seguente immagine è riportata invece la capacità installata a livello globale negli ultimi 2 anni, secondo i dati del GWEC (Global Wind Energy Coucil) dove si può osservare come  la Cina, da sola, abbia superato

 

 

l’Europa che tuttavia possiede una produzione da fonti eoliche che soddisfa l’11% del fabbisogno energetico dei paesi dell’Unione, forte del fatto che il Continente Europeo sia uno dei più fecondi per l’impiego di tale tecnologia.

Diffusione degli impianti eolici in Europa, indicati con rombi blu sulla mappa

Le tipologie di impianto eolici

Negli anni si sono sviluppate le più “artistiche” soluzioni tecnologiche per quanto riguarda l’installazione di turbine eoliche, ad oggi si annoverano una moltitudine di applicazioni e installazioni, di cui in questa sede riportiamo le più diffuse:

  • Wind Farm: Esse trovano largo impiego in tutte quelle zone caratterizzate da ampi spazi, come per esempio gli Stati Uniti;

Wind-farm

 

  • Mini-Eolico: Diffuso in luoghi ad alto contributo potenziale di energia eolica, ma che possono mettere a disposizione spazi limitati per l’installazione degli impianti eolici, è questo il caso dell’Italia;

    minieolico

 

  • Eolico off-shore: Tecnologia diffusa per tutti quei paesi che devono salvaguardare il lato paesaggistico, poiché l’installazione off-shore non comporta una deturpazione del paesaggio, ma al contempo favorire una produzione di energia da fonti rinnovabili e raggiungere una certa autosufficienza energetica;

    eolico off-shore

     

  • Eolico near-shore: La manutenzione di un impianto eolico off-shore è particolarmente delicata, infatti essendo la base della pala immersa nell’acqua marina ( notoriamente dannosa per tutti quei materiali che costituiscono le linee di trasmissione) tutto l’insieme di cavi che parte da essa, deve essere monitorato. Una soluzione meno dispendiosa è utilizzare un eolico near-shore, il quale assicura comunque che la fonte ventosa sia caratterizzata da velocità elevate e in aggiunta dei costi di manutenzione limitati, peccato per l’impatto paesaggistico sulle coste.

    eolico near-shore

Come è fatta una turbina eolica

La turbina eolica è il componente funzionale fondamentale per la creazione di impianti eolici e prevede l’esistenza di vari organi meccanici, adibiti alla produzione e conversione dell’energia meccanica in energia elettrica, che poi dovrà essere immessa nella rete locale.

Struttura tipica di una turbina eolica

Pale

Le pale di una turbina eolica solo adibite ad entrare in contatto con il flusso ventoso ed a subire una spinta propulsiva da quest’ ultimo; solitamente sono in fibre di vetro o polimetri vetrosi, in modo da migliorarne resistenza e robustezza, per poter sopportare raffiche ventose di violenta intensità a cui potrebbero essere soggette.

La pala non è un organo fisso, ma regolabile e grazie ad un supporto alloggiato sul mozzo, viene permessa la rotazione della pala, per la regolazione dell’angolo di pitch. La pala deve avere la stessa portanza lungo tutto il braccio, e quindi la medesima spinta. Premesso che la portanza è direttamente proporzionale all’angolo d’attacco e l’angolo d’attacco varia con la velocità; essendo la velocità periferica delle pale crescente dal mozzo verso l’estremità, per mantenere costante la portanza dovrà essere per forza modificato il calettamento. Ed è per questa ragione che l’elica si presenta svergolata, cioè con un calettamento variabile dal mozzo verso l’estremità. Cioè il calettamento diminuisce man mano che aumenta sul profilo dell’elica la velocità periferica allontanandosi dal mozzo. Quindi bisogna diminuire l’angolo (\({β}\)) per mantenere un buon angolo d’attacco (\({α}\)) che è l’angolo tra l’asse della pala e la velocità rultante tra quella di rotazione della pala e quella del flusso ortogonale alla pala.

Andamento dell’angolo di pitch all’aumentare del raggio della pala

Le forze aerodinamiche variano con il quadrato della velocità locale e crescono rapidamente con il raggio, importante quindi è progettare le sezioni più vicine alle estremità della pala in modo tale che abbiano buona portanza e scarsa resistenza.

La sezione della pala di una turbina eolica è piuttosto spessa, allo scopo di ottenere l’elevata rigidità necessaria per resistere ai carichi meccanici variabili che agiscono su di essa nel corso del funzionamento, durante la sua vita utile la pala è soggetta a carichi variabili che determinano usura, e ciò costituisce la maggiore difficoltà tecnica nella progettazione delle pale.

È necessario, inoltre, effettuare un’analisi accurata per eliminar il rischio di risonanza tra i diversi oscillatori meccanici (pale, torre, organi di trasmissione, ecc.).
I fulmini costituiscono una delle principali cause di avaria; viene perciò fornita una protezione attraverso l’istallazione di conduttori, sia sulla superficie della pala, sia al suo interno.

Organi di trasmissione

Le pale sono collegate al mozzo che ospita i meccanismi di regolazione del pitch. Il mozzo è di solito un pezzo di acciaio o di ferro a grafite sferoidale ed è protetto esternamente da un involucro di forma ovale, lo spinner. L’albero del rotore è sostenuto da supporti e ruota a velocità relativamente bassa.

Moltiplicatore di giri

Il moltiplicatore di giri è impiegato per incrementare la velocità del rotore fino ai valori richiesti dai generatori convenzionali. Ciò perché generalmente i rotori delle turbine eoliche girano a velocità molto basse. Tipici rapporti del moltiplicatore possono superare gli 1:100.

Il moltiplicatore di giri è comunque una sorgente di rumore, che i produttori si sforzano di ridurre, per esempio utilizzando moltiplicatori elicoidali invece di moltiplicatori ad assi paralleli.

Generatore

Il generatore è l’unità di trasformazione dell’energia meccanica in potenza elettrica. Vi sono due tipi principali di generatori: asincroni e sincroni.

La grande differenza tra i due è la velocità di rotazione. Infatti il generatore sincrono deve ruotare a velocità costante e viene magnetizzato (eccitato) da una fonte di alimentazione dedicata, mentre il  generatore asincrono può ruotare ad una velocità non costante (sempre però nell’intorno della velocità di sincronismo), dove la differenza tra la velocità di rotazione e di sincronismo è chiamata slip e viene magnetizzato dalla rete stessa quindi ha bisogno che la rete sia già attiva per partire.
Il generatore più diffuso è il sincrono ed è inoltre il più versatile per le regolazioni di tensione e di frequenza, ciò perché può funzionare sia come generatore, sia come motore, a seconda del valore della velocità di rotazione (\({ω}\)):

\({ω} < {ω_{nom}}\) allora il generatore supplisce ai deficit di produzione e funge da motore;

\({ω} > {ω_{nom}}\)  si traduce in un surplus di produzione e il generatore si comporta come tale.

Dove (\({ω_{nom}}\)) velocità di rotazione nominale, cioè quella definita in sede di progetto.

Trasformatore

Il livello di tensione di uscita del generatore è relativamente basso e deve essere aumentato a un livello medio  per mezzo di un trasformatore, per ridurre le perdite di trasmissione.

I cavi elettrici flessibili, che collegano la gondola alla base della torre, formano un anello al di sotto della gondola, per consentirne i movimenti di imbardata. Tali movimenti vengono monitorati: se la rotazione è superiore a due giri, la gondola viene imbardata in direzione opposta durante il periodo successivo di assenza di vento, per sbrogliare i cavi.

Schema tipo di un collegamento di una turbina eolica alla rete di distribuzione elettrica

Sistema di imbardata

Lo scopo principale del sistema si imbardata è quello di far ruotare l’intera gondola sulla sommità
della torre affinché il rotore fronteggi sempre il vento.

Dispositivi ausiliari

I principali dispositivi ausiliari all’interno della gondola sono: un freno meccanico installato sull’albero di rotazione veloce per bloccare la rotazione in condizioni meteorologiche avverse o per permettere la manutenzione; un dispositivo idraulico per lubrificare il moltiplicatore di giri o altre parti meccaniche; scambiatori di calore per il raffreddamento dell’olio e del generatore.
Sulla sommità della gondola sono collocati anemometri e banderuole per il controllo della turbina, luci di segnalazione per la navigazione aerea, una piattaforma di supporto agli elicotteri.

I principi di funzionamento dietro una pala eolica

Velocità del flusso ventoso ortogonale alla pala

Una pala eolica è costituita da un rotore ( parte rotante della struttura) e uno statore ( parte fissa, connessa alla torre). Il flusso ventoso viene perturbato dal rotore, che si muove una volta che il vento incide sulle pale. Come si evince dalla figura sottostante.

andamento del flusso ventoso che incide sulla pala eolica

Per facilitare lo studio possiamo idealizzare il flusso del vento come quello dell’acqua in un tubo a sezione variabile. Dove cioè si trascurano perdite di portata volumetrica, e gli effetti che genera la torre di supporto sul flusso. Si trascurerà inoltre il fatto che il rotore sia costituito da un numero finito di pale, che in questa sede si considerano infinite, così che la sezione rotorica possa essere considerata piena. Ipotesi aggiuntive per semplicità di trattazione sono relative alla direzione del flusso ventoso, che si ipotizza ortogonale alle pale rotoriche, oltre che sulla densità del flusso, che si ipotizza costante (\({ρ}\)), in relazione al fatto che non vi siano nel flusso significativi innalzamenti di temperatura.

Dalla legge della conservazione della quantità di moto ( \(\vec{p}\)), ne deriva che la forza esercitata sul rotore è pari alla variazione di \(\vec{p}\). Essendo definita la variazione della quantità di moto come:

\(\left(\frac{\vec{dp}}{dt}\right)\) = \(\dot{m}\cdot{\vec{dv}}\)

dove \({Δv}\) è la variazione di velocità tra la sezione di affluenza e defluenza del vento ( \({v1-v4}\)), mentre \(\dot{m}\) è la portata massica del flusso.

La forza che agisce sul rotore è una forza di pressione così che \({F}\) = \({P}\cdot{S}\).

Dove:

\({P}\)  pressione esercitata dal vento sulle pale rotoriche;

\({S}\) sezione attraversata dal flusso.

Applicando Bernoulli tra le sezioni 1-2 e 3-4, cioè prima del contatto con il rotore e subito successivo a questo, si può ricavare la relazione tra le velocità di ingresso e uscita dal rotore e quella incidente sullo stesso:

\({v_R}\) = \(\left(\frac{1}{2}\right)({v_1}+{v_4})\)

 

Forze agenti sulla pala

Per comprendere quali forze agiscano su ogni singola pala della turbina eolica, bisogna prima capire quali velocità prendono parte al moto della pala.

La velocità dell’aria, di cui fino ad ora abbiamo analizzato la componente ortogonale alla sezione rotorica ( \({S_R}\)), non è l’unica a prendere parte al moto, c’è anche una componente tangenziale, che praticamente coincide in valore con la componente tangenziale della pala.

Se pensiamo al rotore come ad un insieme di pale che gira con velocità angolare \({Ω}\), la velocità tangenziale di una sezione di pala a distanza \({r}\) dall’asse è data dalla relazione:

\({v_t}\) = \({Ωr}\)

l’angolo formato dalle due componenti della velocità del vento viene trovato grazie alla relazione trigonometrica:

\({tan(Φ)}\) = \(\left(\frac{v_R}{v_t}\right)\) = \(\left(\frac{v_R}{Ωr}\right)\)

L’angolo \({Φ}\) è dato dalla somma di altri due angolo \({α} e \) \({β}\) denominati rispettivamente angolo di attacco e di pitch.

note le componenti tangenziali e assiali della velocità possiamo scrivere che, la risultante sarà:

\(\vec{w} = \vec{v_R}+\vec{v_t}\)

Noto l’angolo \({Φ}\), automaticamente è tonta la direzione di applicazione delle forze agenti sulla pala, che sono principalmente due:

\({F_L}\): Denominata portanza, essa è la componente delle forze globali agenti sulla struttura. Essa ha direzione ortogonale al flusso d’aria relativo;

\({F_D}\): Denominata resistenza, essa è la componente di forza ortogonale alla portanza, ed è generata da interazioni viscose.

Note le direzioni, se ne devono calcolare i moduli, queste due forze hanno scrittura simile, a meno di un coefficiente fluidodinamico:

\({F_L}=\left(\frac{1}{2}\right){C_L}{A_R}{ρ}{w}^2\)

\({F_D}=\left(\frac{1}{2}\right){C_D}{A_R}{ρ}{w}^2\)

Dove:

\({C_L}\): coefficiente di resistenza;

\({C_D}\): coefficiente di potenza.

La composizione di queste due forze, ne genera una risultante:

\(\vec{F_R} = \vec{F_L} + \vec{F_D}\)

Da questa forza, scomponendola lungo gli assi principali, se ne ottengono altre due, una chiamata forza propulsiva \(\vec{F_M}\), nel piano del rotore ed una assiale \(\vec{F_T}\).

l’immagine sottostante da l’interpretazione grafica di quanto scritto fino ad ora.

Risultante delle forze agenti su ogni singola pala e velocità e direzione in cui incide il flusso ventoso su di essa

Potenze sviluppate dalla turbina eolica

Quando l’aria attraversa il rotore, subisce una variazione di velocità. Questo perché cede energia cinetica ad esso, così che l’aria all’uscita del rotore abbia velocità inferiori a quelle del flusso entrante.

Qualora il rotore non fosse presente, l’aria attraverserebbe la sezione ( \({S_R}\)) con velocità \({v_1}\), in questo caso la potenza associata al flusso sarebbe:

\({P_0} = \left(\frac{1}{2}\right){ρ}{S_R}{v_1}^3\)

La porzione di tubo davanti al rotore è però ha sezione minore di  \({S_R}\) e la potenza effettiva (\({P}\)) è solo una frazione di quella incidente. Si definisce quindi un coefficiente, chiamato di potenza (\({C_P}\)), tale che:

\({P} = {C_P}{P_0}\)

Noto che anche la potenza come al forza, può avere molteplici scritture, ci serviamo di una in particolare, che esprime la relazione tra la variazione di energia cinetica e la potenza stessa:

\({P} = \left(\frac{1}{2}\right){ρ}{S_R}{v_R}({v_1}^2-{v_4}^2)\)

Dalla relazione espressa nel paragrafo precedente, riguardo le velocità, risulta chiaro che l’equazione precedente si possa scrivere come:

\({P} = \left(\frac{1}{4}\right){ρ}{S_R}({v_1}+{v_2})({v_1}^2-{v_4}^2)\)

Per capire la massima potenza che è possibile ottenere da un flusso di aria, bisogna derivare la potenza in funzione del termine \(\left(\frac{v_2}{v_1}\right)\).Fatto ciò, basta porre l’equazione risultante pari a zero, per trovare il valore di \(\left(\frac{v_2}{v_1}\right)\) tale che si ottenga la potenza massima. Questo valore è pari a \(\left(\frac{1}{3}\right)\). sostituendo il valore trovato all’equazione di \({P}\), si ottiene il massimo valore di potenza a cui si può aspirare:

\({P_{max}} = \left(\frac{1}{2}\right){ρ}{S_R}{v_1}^3\left(\frac{16}{27}\right)\)

Si può ora capire il valore massimo di \({C_P}\) a cui si può tendere:

\({P_{max}} = \left(\frac{1}{2}\right){ρ}{S_R}{v_1}^3\left(\frac{16}{27}\right)= {C_{Pmax}}{P_0} = {C_{Pmax}}\left(\frac{1}{2}\right){ρ}{S_R}{v_1}^3\)

Ne deriva che il valore limite di \({C_P}\) sia pari a \(\left(\frac{16}{27}\right)\). Tale limite è noto come limite di Bentz.

Non è possibile progettare una turbina con un maggior valore del coefficiente di potenza; le turbine odierne hanno coefficienti di potenza di circa il 70-80% quello teorico.

Fonti

  • GWEC (Global Wind Energy Coucil);
  • Generazione elettrica dal vento (Volume III, Nuovi sviluppi: Energia, Trasporti, Sosteniibilità);
  • L’energia eolica ( Gruppo Wolters Kluwer);
  • Atlante Eolico Europeo.

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