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I Semafori smart – Parte 1

Il mini-eolico

luglio 17, 2018 Commenti (0) Ingegneria Energetica, Uncategorized Tempo di Lettura:

Eolico – come sfruttare il vento

L’energia eolica è un’energia rinnovabile che, durante il suo funzionamento, non inquina l’ ambiente con emissioni dannose ed è per questo definita pulita.

La fonte di questa energia è il vento che per quanto sia effettivamente “gratuito” limita la produzione eolica sotto vari aspetti. Il vento infatti è una fonte stabile nel lungo termine ma non è affidabile in previsioni di archi temporali inferiori a quelli annuali, è inoltre un agente atmosferico che può portare a fenomeni naturali come uragani,  tifoni, cicloni e le tempeste tropicali accompagnate da flussi ventosi in grado di scoperchiare case. (Leggi anche: Case nella valle dei tornado).

Lo scopo principale di questo articolo sarà proprio stabilire la prevedibilità della forza ventosa, andando a sfruttare quelli che sono i segni naturali lasciati dalle raffiche ventose (alberi deformati) piuttosto che l’analisi statistica inferenziale.

Andiamo a scoprire in che modo!

Come prevedere le raffiche ventose e la loro velocità massima

Nell’ articolo Energia dal vento abbiamo trattato le turbine eoliche, il loro funzionamento e le potenze elettriche che possono sviluppare in condizioni di regime, ma non abbiamo analizzato le sollecitazioni che devono supportare da parte di flussi ventosi a cui sono sottoposte che non hanno sempre la stessa velocità. Per questo, una delle fasi più delicate quando si dimensiona un impianto eolico, è proprio capire a quali stress potrà essere soggetta la struttura. Per fare ciò si installa nel sito una stazione meteorologica per diversi mesi, in modo da monitorare la velocità e la direzione del vento e i livelli di turbolenza a quote diverse. I dati registrati consentono la valutazione sia della produzione futura di energia, sia della fattibilità economica del progetto.

Il regime di vento in una determinata zona può essere caratterizzato statisticamente mediante la distribuzione di Weibull:

\({f (V)} = {k} \left(\frac{V^{k-1}}{C^k}\right){e}^{-\left(\frac{V}{C}\right)^k}\)

Dove:

\({V}\) è la velocità del vento;

\({C}\) è il parametro di scala;

\({k}\) è il parametro di forma.

Tale funzione statistica ha un andamento come quello illustrato nella figura sottostante. Tramite questa funzione è possibile calcolare il massimo valore di velocità che il flusso ventoso può raggiungere ed a cui la turbina deve resistere.

Andamento tipico del flusso ventoso nei siti di istallazione di impianti eolici

Proprio per la fluttuazione del valore della velocità del vento, tutte le turbine eoliche nascono con sistemi di regolazione, che hanno lo scopo di migliorare le prestazioni delle turbine e allungarne la vita utile.

Come stabilire la quantità di vento disponibile

La risposta non è semplice per un insieme di fattori. Il vento, infatti, può variare in maniera considerevole su un’area di pochi chilometri quadrati perché l’orografia del terreno influenza il suo flusso. Per un prima indicazione, lo strumento più semplice a disposizione è l’Atlante Eolico Italiano, elaborato da CESI ed Università di Genova nel 2002. Basato su rilievi sperimentali e simulazioni a calcolo, fornisce mappe di velocità del vento per tutto il territorio italiano. Nella figura seguente è riportata la velocità media del vento a un’altezza di 25m sul livello del terreno.

velocità media del vento su territorio italiano

A un primo esame risulta evidente che il Nord Italia non rappresenta nel suo complesso un’area vocata all’eolico ad eccezione delle zone a ridosso dei rilievi.

Per un uso appropriato delle mappe è bene ricordare che:

  • l’incertezza media dei valori riportati è dell’ordine di 1,3 m/s (confidenza del 70%) per l’altezza di 25m che rappresenta il valore di riferimento per gli impianti eolici;
  • le mappe dell’Atlante forniscono localmente i dati più rappresentativi delle aree più esposte al vento che non di quelle orograficamente riportate;
  • in caso di presenza di aree densamente rugose (presenza fitta di alberi, arbusti, edifici) i valori vanno riportati a un’altezza riferita a partire dalla sommità delle rugosità e non dal suolo vero e proprio.

Le mappe eoliche forniscono quindi un dato di primo orientamento, ma non consentono di valutare la produttività di un sito con l’accuratezza necessaria a prendere una decisione sull’investimento.

Una maniera indiretta per ottenere un’informazione più puntuale, è richiedere la velocità media del vento rilevata in un aeroporto vicino.

Anche in questo caso è necessario tenere conto che i valori ottenuti possano risentire di fattori legati alla forma del terreno. Inoltre i valori degli aeroporti sono misurati ad un’altezza compresa tra 5 e 10 m e quindi le velocità vanno riportate all ’altezza da terra del mozzo della turbina.

Un’altra informazione indiretta sull’ intensità del vento si può ottenere dall’ esame delle fronde degli alberi.

Le conifere e, in generale, gli alberi sempreverdi rimangono deformati in modo permanente, sotto l’azione di venti intensi.

L’entità di questa deformazione fornisce un’indicazione dell’intensità del vento secondo una scala detta di Griggs-Putnam illustrata nella tabella sottostante:

Tabella di Griggs-Putnam per stabilire l’intensità delle raffiche di vento

Tuttavia, l’unico strumento veramente accurato e affidabile per determinare l’entità della risorsa vento, è la caratterizzazione anemologica puntuale del sito.

La rilevazione viene effettuata disponendo sul sito, o in sua prossimità, torri anemometriche di altezza tale da non risentire delle turbolenze create da alberi, edifici o altre costruzioni.

Il rilievo deve essere effettuato per una durata di tempo significativa, possibilmente per un anno intero, al fine di garantire l’affidabilità statistica dei dati.

La frequenza del campionamento deve essere sufficientemente fitta, generalmente ad intervalli di 1s.

Ne deriva una mole di dati rilevati considerevole, che viene analizzata statisticamente al fine di produrre una curva di distribuzione di probabilità della velocità del vento. Simile a quella riportata nella figura sottostante.

Distribuzione statistica della velocità del vento in relazione alla durata di tempo in cui esso spira con velocità costante

Ai fini del calcolo della resa energetica annua, la curva di distribuzione va confrontata con la curva di potenza della turbina per comprendere per quali velocità la turbina produce maggiore potenza e per quanto tempo.

Oltre alle informazioni circa l’intensità del vento è necessario stabilire le direzioni prevalenti, specie nel caso in cui si intenda installare il generatore in un sito con un’orografia del terreno complessa.

Tale informazione (di solito rappresentata in forma di rosa dei venti) può risultare utile per stimare il degrado di prestazioni che può essere causato dall’inerzia del generatore nell’allinearsi rispetto alla direzione istantanea del vento. L’allineamento dell’imbardata avviene comunque con una certa isteresi.

Infine va determinata la cosiddetta intensità di turbolenza, un dato essenziale per calcolare le raffiche di progetto previste dalle normative ISOIEC 61400.

L’altezza della turbina è forse l’aspetto più critico nel determinare la resa dell’impianto e, come tale, va scelta con molta cura in fase di impostazione del progetto, come già spiegato nel paragrafo dedicato alla torre.

L’intensità del vento cresce con l’altezza da terra secondo un profilo (wind shear) che è influenzato dalla rugosità del suolo, dalla velocità della raffica stessa e dalle condizioni atmosferiche.

Tale profilo viene rappresentato attraverso una legge del tipo:

\(v_{h1}\) = \(v_{h2}\)\(\times\)\(\left(\frac{h1}{h2}\right)^{α}\) ;

Dove :

  • \(v_{h2}\) è la velocità assunta dal flusso ventoso per un’altezza pari ad h2;
  • \(v_{h1}\) è la velocità assunta dal flusso ventoso per un’altezza pari ad h1;
  • \({h2}\) altezza a cui si vuole calcolare la velocità assunta dal flusso ventoso;
  • \({h1}\) altezza di riferimento, di cui è già nota la velocità del flusso ventoso;
  • \({∝}\) coefficiente di shear.

Nello specifico il coefficiente α acquisisce diversi valori a seconda delle caratteristiche del suolo, come riportato nella tabella seguente:

Variazione del coefficiente di shear a seconda delle condizioni del terreno

Valori più elevati di α corrispondono a rugosità maggiori del terreno che frenano il vento e producono profili di crescita più progressiva della velocità con l’altezza.

In presenza di \({∝}\) elevati (per elevati si intende per valori pari o superiori a 0,4) si può verificare una differenza di velocità del vento di 3-4 m/s in 10m di altezza, cioè nello spazio occupato dal rotore di una turbina. Questo elemento va considerato nel calcolo strutturale della torre e delle fondazioni.

Conclusioni

A seguito di quanto detto fino ad ora si possono fare le seguenti considerazioni:

  1. Per determinare se sia conveniente l’istallazione di sistemi eolici bisogna effettuare campagne orografiche, che daranno esiti diversi a seconda della zona d’interesse;
  2. Uno studio economico non può prescindere da quello orografico, poiché il flusso ventoso è fortemente influenzato dalla morfologia del terreno e dalle barriere presenti nel sito d’istallazione;
  3. A seguito del costo d’istallazione, l’energia proveniente da sistemi eolici è a costo zero, anche se la sua  produzione non può essere considerata costante, poiché fortemente dipendente dalla variazione del flusso ventoso;

Questa tecnologia, come visto, presenta quindi dei difetti che possono tuttavia essere superati; ad esempio per il disturbo uditivo, che si verifica a causa delle interferenze tra pala e flusso del vento, si  possono utilizzare turbine ad asse verticale con pale elicoidali. Un altro difetto sta nell’impatto paesaggistico, infatti le turbine eoliche hanno un impatto molto invasivo sul paesaggio e anche per questo sono state soggetto di numerosi dissensi da parte delle associazioni ambientali ma anche questo aspetto è stato ormai superato sfruttando gli impianti eolici offshore.

Al termine di questa trattazione è inoltre importante notare come le risorse eoliche siano una delle più proficue nel nostro paese, soprattutto nella zona del Meridione, che potrebbe farsi vanto di essere il traino europeo delle energie rinnovabili, dato che ad oggi, nonostante tutti i problemi burocratici degli anni precedenti, il nostro paese si attesta nei primi 10 Paesi della zona UE per la produzione di energia attraverso risorse eoliche.

Se si continuasse in questa direzione, l’Italia potrebbe riuscire a soddisfare una gran fetta del suo fabbisogno energetico attraverso risorse prettamente Green, con un attenzione particolare verso le risorse solari e ventose.

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