generazione elettrica dal vento

8/8/2019 Generazione Elettrica Dal Vento

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Lenergia eolica ha sempre fornito la forza propulsivaalle navi a vela ed stata usata per almeno tremila anni per azionare i mulini a vento. Lutilizzo di questo tipo dienergia caduto successivamente in disuso con la dif-fusione dellenergia elettrica e con lestesa disponibilita basso costo di motori alimentati da combustibili fos-sili. Sebbene il rapido aumento del prezzo del petrolionel 1973 abbia stimolato, in molti paesi, un gran nume-ro di programmi di ricerca sullenergia eolica, questisforzi si sono successivamente ridotti, nel 1986, in con-comitanza con la discesa del prezzo del petrolio. Tutta-via, le conoscenze acquisite in quel periodo sono state

sufficienti ad avviare lo sviluppo delle grandi turbineeoliche; inoltre, la recente attenzione rivolta ai cambia-menti climatici, lesigenza di incrementare la quota dienergie rinnovabili e i timori di una diminuzione futuradella produzione di petrolio hanno promosso un rinno-vato interesse per la produzione di energia eolica. Que-sto tipo di energia, in confronto ad altre energie rinno-vabili, richiede investimenti molto inferiori e utilizza unarisorsa generalmente disponibile ovunque e particolar-mente fruibile nelle zone temperate, dove si trova la mag-gior parte delle nazioni industrialmente sviluppate.

Durante lultimo decennio del 20 secolo sono stati

costruiti e testati diversi modelli di turbine eoliche: conrotori ad asse orizzontale e verticale, con numero variabile di pale, con il rotore posizionato sopravvento o sot-tovento alla torre, ecc. La turbina ad asse orizzontale conrotore a tre pale sopravvento si dimostrata la tipologia pi idonea e ha avuto di conseguenza un notevole svi-luppo, segnato sia da una rapida crescita in dimensionee potenza, sia da unampia diffusione.

6.2.1 Il vento come risorsa

Il vento un movimento dellaria determinato dalla-zione dellenergia solare; il riscaldamento superficiale

in punti diversi del pianeta produce effetti differenti, chedanno luogo a movimenti nellatmosfera. Su larga scalasi pu osservare alle diverse latitudini una circolazionedi masse daria che viene influenzata ciclicamente dallestagioni; su scala pi piccola, si ha un riscaldamentodiverso tra la terraferma e le masse dacqua, con con-seguente formazione delle brezze quotidiane di terra edi mare. Anche il profilo e le irregolarit della superfi-cie della terraferma o dellacqua influenzano profon-damente il vento e le sue caratteristiche locali (DNV,2002). Il vento soffia con maggiore velocit su super-fici grandi e piatte come il mare, e questo rappresenta

lelemento principale di interesse per gli impianti eoli-ci costieri o marini. Si rafforza sulla sommit delle altu-re o nelle valli orientate parallelamente alla direzionedel vento dominante, mentre rallenta su superfici irre-golari, come citt o foreste, e la sua velocit rispettoallaltezza o alwind shear influenzata dalle condizionidi stabilit atmosferica.

Per poter sfruttare lenergia eolica, molto impor-tante tenere conto delle forti variazioni di velocit tralocalit diverse: siti distanti tra loro pochi chilometri pos-sono essere soggetti a condizioni di vento nettamentedifferenti e rivestire un interesse sostanzialmente diver-

so ai fini dellinstallazione di turbine eoliche.Il regime di vento in un determinato sito pu esserecaratterizzato statisticamente mediante la distribuzionedi Weibull. La funzione di densit di probabilit (il cuiintegrale su un qualsiasi intervallo di velocit forniscela probabilit che il vento abbia una velocit compresain tale intervallo) data dalla formula:

f (V ) k (V k 1 C k )e (V C )k

in cuiV la velocit del vento,C il parametro di scalae k il parametro di forma.

La fig. 1 illustra un confronto tra i dati registrati inun sito (Manwellet al ., 2001) e una funzione di distribu-zione di Weibull, calcolata con un parametro di scalaC

561VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILIT

6.2

Generazione elettrica dal vento


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uguale a 7,9 m/s e un parametro di formak uguale a 2.Si usa caratterizzare le condizioni locali di vento median-te il valore della sua velocit mediaV media . Di regola, si pu considerare la velocit media del vento come il para-metro di scala della distribuzione di Weibull moltiplica-to per 0,89 (Burtonet al ., 2001). La forza del vento cambia su una scala di giorni o di ore, a seconda delle con-dizioni meteorologiche; le brezze, per esempio, sonoresponsabili di una componente quotidiana del vento.Infine, fa parte dellesperienza comune il fatto che ladirezione e lintensit del vento fluttuano rapidamenteintorno al valore medio: si tratta della turbolenza, checostituisce una caratteristica importante del vento, poi-

ch determina fluttuazioni nella forza esercitata sulle pale delle turbine, aumentandone cos lusura e ridu-cendone la vita media. Lintensit della turbolenza vienedeterminata, in modo statistico, come la deviazione stan-dard della velocit del vento su brevi scale di tempo. Suun terreno complesso il livello di turbolenza pu variaretra il 15% e il 20%, mentre in mare aperto questo valo-re pu essere compreso tra il 10% e il 14% (Manwellet al ., 2001). In un impianto eolico, la scia sottovento a unaturbina pu influenzare altre turbine (Barthelemieet al .,2004). Una turbina eolica deve poter sopportare la peg-giore tempesta che possa aver luogo nel sito di installa-

zione, durante lintera vita del progetto. Se la turbina

rimane installata per 20 anni, la raffica estrema che siconsidera quella che si ripresenta in media ogni 50 anni.Sono stati stabiliti degli standard che forniscono i valo-ri indicativi da considerare. Latab.1 riproduce le diver-se classi prese in considerazione dalla Commissione elet-trotecnica internazionale (IEC, 1999); la velocit delvento di riferimento definita come la media, calcolatasu 10 minuti, di un vento estremo che si presenti in mediaogni 50 anni; vengono anche indicate raffiche che si pos-sono presentare con periodicit compresa tra 1 e 50 anni.

Esistono anche variazioni su scale di tempo pi lun-ghe, e le condizioni del vento non sono le stesse da unanno allaltro. Leffetto potenziale del riscaldamento glo- bale sulle condizioni future del vento rimane, inoltre, un problema aperto.

La variabilit rappresenta uno degli svantaggi mag-giori dellenergia eolica. Finch la quota di potenza pro-dotta dallimpianto eolico piccola rispetto alla capa-cit di trasporto della rete elettrica locale, si trasferisceenergia alla rete solo quando soffia il vento, e la produ-zione corrispondente viene considerata come una dimi-nuzione di domanda per i generatori convenzionali. Inalcuni paesi si stanno prendendo in considerazioneimpianti eolici di grandi dimensioni, prevalentementegruppi di turbine in alto mare. Tali parchi eolici avran-no una potenza di diverse centinaia di MW, equivalentea quella di impianti convenzionali, e dovranno poter pre-vedere la loro produzione di energia con 24 ore di anti-cipo. Questa una conseguenza della liberalizzazione

del mercato dellenergia elettrica nelle nazioni occiden-tali, per cui diverse compagnie possono competere sullastessa rete elettrica. Il gestore della rete deve poter cono-scere in anticipo la domanda prevedibile rispetto alleofferte dei diversi produttori (Makarov e Hawkins, 2003).La predicibilit della produzione rappresenta un valoreaggiunto dellenergia (Nielsenet al ., 2003): la mancataerogazione implica delle penali e sono allo studio meto-di per disporre di una previsione utile con un anticipo dialmeno 24 ore (Giebelet al ., 2003).

Quando si prende in considerazione un sito per lin-stallazione di una turbina eolica, fondamentale valu-

tare lentit reale della risorsa eolica. Si installa quindi

562 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI

densit

diprobabilit

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10 dati del luogodistribuzionedi Weibull

0,12

velocit del vento (m/s)0 5 10 15 20 25

fig. 1. Confronto tra la velocit del vento misuratae la distribuzione di Weibull.

tab. 1. Parametri della velocit del vento per le classi di turbine eoliche (IEC, 1999)

Parametri Classe I Classe II Classe III Classe IV

Velocit del vento di riferimento V ref (m/s) 50 42,5 37,5 30

Velocit del vento media annuale V media (m/s) 10 8,5 7,5 6

Velocit media (calcolata su 10 minuti)di una raffica con periodicit di 1 anno (m/s) 52,5 44,6 39,4 31,5

Velocit media (calcolata su 10 minuti)di una raffica con periodicit di 50 anni (m/s) 70 59,5 52,5 42


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nel sito una stazione meteorologica per diversi mesi, inmodo da monitorare la velocit e la direzione del ventoe i livelli di turbolenza a quote diverse. I dati registraticonsentono la valutazione sia della produzione futura dienergia, sia della fattibilit economica del progetto.

6.2.2 Teoria delle turbine eoliche

Nella fig.2 illustrato schematicamente il flusso d aria.Il rotore fronteggia il vento, e la figura mostra la formadel tubo di flusso tangente all estremit delle pale. Poi-ch al vento viene sottratta una certa quantit di energiacinetica, la velocit sottovento al rotore risulta inferiorea quella sopravvento. Di conseguenza il diametro deltubo di flusso maggiore alle spalle del rotore rispettoal davanti. In assenza del rotore l aria attraverserebbe lasezione S

rcon velocit V

0. La potenza associata al flus-

so sarebbe:

1 E 23 r S rV 302

dove r la densit dell aria. La porzione di tubo davan-ti al rotore in effetti minore di S r e la potenza effettiva

P solo una frazione della potenza incidente. Possiamoquindi definire un coefficiente C P di potenza tale che:

P C P E

Si pu dimostrare che la velocit dell aria sul piano

del rotore (Betz e Prandtl, 1919):1

V r 23 (V 0 V w)2

in cui V w la velocit dell aria nella scia sottovento alrotore.

Si pu calcolare il valore del coefficiente di potenzacome funzione del rapporto tra la velocit della scia sot-tovento al rotore e quella sopravvento: il valore ottimaledi C P si ha quando questo rapporto vale 1/3. In questo casoC Pmax 16/27 0,593; il rapporto 16/27 deriva dalla teo-ria del momento assiale, assumendo valide alcune appros-simazioni, ed noto come limite di Betz (Betz e Prandtl,1919). Non possibile progettare una turbina con un mag-gior valore del coefficiente di potenza; le turbine odiernehanno dei coefficienti di potenza pari a circa il 70-80%del limite teorico. La teoria prevede che la potenza sia pro-

porzionale al cubo della velocit del vento, il che giusti-fica l interesse verso siti molto ventosi per l installazionedelle turbine eoliche. La potenza anche proporzionalealla densit dell aria e le turbine devono essere declassa-te quando operano in climi caldi o sulle montagne.

Una pala essenzialmente un ala. La fig. 3 mostra lediverse forze che agiscono su un segmento di pala. Se chia-miamo W la velocit angolare del rotore, la velocit tan-genziale di un segmento di pala a distanza r dall asse uguale a Wr. La velocit tangenziale dell aria V t ha prati-camente lo stesso modulo. Il vettore di velocit risultanteforma un angolo f con il piano del rotore, determinato da:

V r V rtan f 1 21 V t Wr

Langolo b tra il piano del segmento di pala e il pianodel rotore si definisce angolo di pitch , e l angolo a trail vettore del flusso incidente e il piano del segmento di

pala si chiama angolo d attacco. Abbiamo quindi:f a b

La forza aerodinamica su un segmento di pala diarea A si pu scomporre in una forza di portanza (lift)

F L (perpendicolare alla direzione del vento apparente W


GENERAZIONE ELETTRICA DAL VENTO

fig. 2. Schema di flussointorno a una turbina eolicaad asse orizzontale.


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sull elemento di pala) e una forza a essa perpendicola-re di resistenza ( drag ) F D :

1 F L

23 C L Ar W

2

2

in cui C L il coefficiente di portanza e

1 F D

23 C D Ar W 22

dove C D il coefficiente di resistenza.Come si vede dalla fig. 3, la composizione di queste

forze genera una forza propulsiva F M nel piano del roto-re, e una forza assiale F T perpendicolare alla prima. Un

profilo dato della pala caratterizzato dalla relazione traa , C L e C D. La fig. 4 mostra, per esempio, i valori dei

coefficienti di portanza e di resistenza per il profilo alareDU-91-W2-250. Come si pu vedere, il coefficiente di

portanza quasi proporzionale all angolo di attacco per valori di a minori di 10 . Per valori maggiori dell ango-lo di attacco la portanza crolla e la resistenza aumentadrasticamente. Per piccoli angoli, in condizioni di flussolaminare, l aria avanza con regolarit intorno al profilo;

per angoli grandi, il flusso va in stallo e si forma una sciaturbolenta. Il rapporto tra la velocit tangenziale all e-stremit della pala e la velocit del vento si indica con l :

W R l 123

V 0dove R il raggio del rotore.

Il coefficiente di rendimento (performance) C p si pu stimare in funzione di l e della solidit , definita comeil rapporto tra l area totale delle pale e l area spazzatadal rotore. La solidit si pu variare cambiando il nume-ro di pale e il valore della corda (larghezza delle pale).All aumentare del numero di pale (o della solidit ) lavelocit ottimale l diminuisce.

6.2.3 Sistemi di regolazioneper le turbine eoliche

Regolazione passiva di stallo con velocitdi rotazione fissa

Consideriamo una turbina eolica che ruota a velo-cit costante. Al crescere della velocit del vento l an-golo di attacco sulle pale aumenta. Al di sopra di unacerta velocit il flusso d aria inizia a distaccarsi dallasuperficie esterna delle pale. Questo fenomeno di stal-lo si presenta all inizio in prossimit del mozzo, e siestende verso l estremit della pala all aumentare dellavelocit del vento. Lo stallo progressivo fornisce unmeccanismo automatico di regolazione della potenza.La regolazione passiva di stallo era utilizzata diffusa-mente nelle prime turbine commerciali con potenzenominali di poche centinaia di kW, dotate di generato-ri asincroni (le cosiddette turbine eoliche danesi). Que-sto tipo di regolazione pone dei problemi associati alfenomeno stesso dello stallo: vibrazioni, instabilit , dif-

ficolt nella previsione sia dell entrata in stallo, sia delritorno al flusso laminare. Le vibrazioni inoltre causa-no nel tempo un usura supplementare delle pale. Se ilrotore pu ruotare a diverse velocit possibile in qual-che misura regolare l entrata in stallo; molte turbinedegli anni Novanta erano dotate di generatori asincronia due velocit : a seconda delle condizioni di vento ilrotore girava alla velocit superiore o a quella inferiore.



FM

FTV0

V t

Vr

W

FLFD

Wr /

ba

fig. 3. Le forze agenti su un segmento di pala.

coefficientidiportanzaediresistenza

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6CL (coefficiente

di portanza)

CD 10(coefficientedi resistenza)

angolo di attacco ( )4 0 4 8 12 16

fig. 4. Forma e caratteristiche del profilo di palaDU-91-W2-250 (Jeppe, 1999).


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La fig. 5 rappresenta le curve di potenza di una tipicaturbina da 400 kW con regolazione passiva di stallo edi una turbina da 660 kW, dotata di sistemi attivi di rego-lazione. Relativamente alla turbina da 400 kW, la poten-za raggiunge un valore massimo in corrispondenza dellavelocit nominale del vento, al di sopra del quale si hauna perdita di potenza. Quando la velocit del ventosupera il massimo valore accettabile, in condizioni meteo-rologiche avverse, la turbina viene bloccata, utilizzan-do freni ad aria collocati all estremit delle pale.

Regolazione di pitchDalla fig. 3 si pu vedere che se si aumenta l ango-

lo di pitch b e si riduce l angolo di attacco a , la por-tanza diminuisce e la pala definita messa in bandie-ra. Tutte le grandi turbine moderne sono dotate di mec-canismi per la regolazione del pitch delle pale. Quandola velocit del vento diventa eccessiva, il rotore vienefermato, ruotando le pale nella posizione in cui il bordod attacco rivolto al vento. Il carico aerodinamico sulle

pale viene cos ridotto al minimo. Al crescere della velo-cit del vento, invece di aumentare l angolo di pitchdelle pale per metterle in bandiera si pu anche ridur-lo, allo scopo di provocare intenzionalmente lo stallo.Con questo metodo l ampiezza della rotazione delle palenecessaria per regolare la potenza inferiore a quella per metterle in bandiera, cosicch in teoria la regola-zione pi rapida.

Velocit variabile Nelle grandi turbine eoliche la velocit del rotore pu

variare intorno al valore nominale (tipicamente del 30%in eccesso o in difetto). Questo reso possibile da unallestimento specifico del generatore, che incorpora del-lelettronica di potenza accoppiata con il sistema di rego-lazione del pitch delle pale, il quale assicura un erogazio-ne costante di potenza, malgrado le fluttuazioni rapide

del vento. Quando la forza del vento aumenta improv-visamente, il rotore lasciato libero di accelerare per

alcuni secondi e l incremento di velocit di rotazioneaccumula energia cinetica nel rotore stesso. Se il ventoresta forte, si varia l angolo di pitch delle pale per dimi-nuire l accumulo di potenza e mantenere la velocit delrotore entro i valori accettabili. Durante un successivocalo di vento l energia immagazzinata nel rotore vienerilasciata nel rallentamento del rotore stesso. Se neces-sario, si cambia di nuovo l angolo di pitch, in modo dafar recuperare velocit al rotore. La fig. 5 mostra la curvadi potenza di una turbina da 660 kW, dotata di questisistemi attivi di regolazione. La produzione di energiaha luogo a partire da una velocit minima del vento di3-4 m/s. La curva di potenza segue, pi o meno, la curvacubica teorica, finch la velocit del vento si mantieneal di sotto di quella nominale (14-16 m/s). Al di sopra diquesta velocit la potenza rimane praticamente costan-te. Per motivi di sicurezza la turbina viene fermata conventi che superano una velocit massima di circa 25 m/s.

Produzione di energiaA seconda delle condizioni locali prevalenti di vento,

si possono scegliere i parametri della curva di potenza(velocit del vento minima, nominale e massima) per ottimizzare la progettazione della turbina. La fig. 6 mostracome esempio l energia prodotta nell arco di un anno dauna turbina da 2.000 kW, caratterizzata da una distribu-zione di Weibull con parametro di scala di 9 m/s e para-metro di forma pari a 2. I risultati in figura sono espres-si come numero totale di ore/anno in cui la potenza

superiore a un certo valore. L erogazione annuale di ener-gia data dall area sottesa alla curva. Come si pu vede-re, la turbina funziona per 7.500 ore in un anno, dellequali soltanto 700 circa alla potenza nominale, mentrela maggior parte dell energia viene prodotta a velocit di vento intermedie. L efficienza nell utilizzo di una tur-

bina in un sito specifico viene valutata spesso in termi-ni di rapporto tra l energia totale annuale prodotta (inkWh) e la potenza nominale della turbina (in kW). Ilrisultato espresso in numero equivalente di ore/anno;



potenza(kW)

0

100

200

300

400

500

600

700

regolazione di stallo

regolazione di velocit variabile e di pitch

velocit del vento (m/s)0 5 1510 20 25 30

fig. 5. Curve di potenza tipiche per turbinecon diversi sistemi di regolazione.

potenza(kW)

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

numero totale di ore/anno0 2.0001.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000

fig. 6. Produzione annuale di energia ottenutacon una turbina da 2.000 kW.


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nell esempio di fig. 6 sono 3.150. Dividendo questonumero per le ore di un anno, si ottiene il fattore equi-valente di utilizzo, in questo caso, pari al 36%. Un pro-getto di impianto eolico viene considerato economica-mente fattibile se il numero equivalente di ore/anno supe-ra le 2.000. Localit ventose sono caratterizzate da valoritipici di 2.500 ore/anno, mentre gli impianti in mare aper-to possono superare le 3.000 ore/anno. Il numero diore/anno si pu ottimizzare scegliendo accuratamente iltipo di turbina eolica. I costruttori di turbine ne offronodiverse versioni per ogni determinato tipo a seconda dellerisorse locali: per esempio, rotori pi ampi per le areemeno ventose.

6.2.4 Elementi delle turbine

PaleLe pale sono gli elementi che interagiscono con il

vento e la loro forma progettata in modo da ottenereuna buona efficienza aerodinamica. La fig. 7 mostra il

profilo di una tipica pala di turbina, in diverse sezionilungo il suo sviluppo longitudinale. In prossimit delmozzo la pala ha una sezione circolare (Rooij, 2004).Un supporto alloggiato nel mozzo consente il movimentodi rotazione della pala per la regolazione del pitch. Unelemento di raccordo collega la base alla parte aerodi-namica della pala. Al crescere della distanza dall assedel mozzo (raggio) lo spessore della pala diminuisce cos

come la corda. La velocit tangenziale di un segmentodella pala cresce con il raggio. Secondo la fig. 3, si devediminuire l angolo di pitch per poter mantenere un buonangolo di attacco. La pala si avvolge di un angolo com-

plessivo di circa 25 tra l inizio e l estremit della sezio-ne aerodinamica. Le forze aerodinamiche variano con ilquadrato della velocit relativa locale e crescono rapi-damente con il raggio. quindi importante progettare la

porzione della pala vicina all estremit in modo da avereuna buona portanza e una bassa resistenza. Le pale sono

flessibili e possono subire quindi una deflessione sottolazione del vento. Per evitare che esse possano sbatte-re contro la torre, l asse del rotore spesso inclinato diun piccolo angolo.

La sezione della pala di una turbina eolica piutto-sto spessa, allo scopo di ottenere l elevata rigidit neces-saria per resistere ai carichi meccanici variabili che agi-scono su di essa nel corso del funzionamento. La forzacentrifuga dovuta alla rotazione tipicamente da sei asette volte maggiore del peso della pala nella sezione alla

base. Il peso della pala stessa crea un momento fletten-te sulla base, in modo alternato a ogni rotazione. Il ventoesercita una forza non costante, sia per le fluttuazionidovute alla turbolenza sia per la maggiore velocit cau-sata dall altitudine. Una pala collocata in posizione ele-vata sottoposta a un vento pi intenso rispetto a una

posizionata pi in basso; anche le corrispondenti flut-tuazioni di carico si ripetono a ogni rotazione. Tutti que-sti carichi variabili determinano usura, e ci costituiscela maggiore difficolt tecnica nella progettazione delle

pale. necessario effettuare un analisi accurata per eli-minare il rischio di risonanza tra i diversi oscillatori mec-canici (pale, torre, organi di trasmissione, ecc.).

Le pale sono costruite con materiali leggeri, come le plastiche rinforzate in fibra, con buone propriet di resi-stenza all usura. Le fibre sono in genere in vetro, ma per le pale pi grandi vengono utilizzate le fibre di carbonionelle parti in cui si presentano i carichi pi critici. Talune

pale sono costruite interamente in fibra di carbonio, men-

tre alcuni fabbricanti utilizzano laminati in legno. Le fibresono incorporate in una matrice di poliestere, resina epos-sidica o a base di vinilestere, e le pale sono costituite dadue gusci uniti insieme. La struttura inoltre rinforzatada una matrice interna. La superficie esterna della palaviene ricoperta con uno strato levigato di gel colorato, alloscopo di prevenire l invecchiamento del materiale com-

posito causato dalla radiazione ultravioletta.I fulmini costituiscono una delle principali cause di

avaria; viene perci fornita una protezione attraverso



fig. 7. Tipica forma di una pala e sue sezioni trasverse (ingrandite).


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linstallazione di conduttori, sia sulla superficie della pala sia al suo interno.

A seconda della tecnologia utilizzata dal produttore edalla sua esperienza, le pale possono essere dotate di ele-menti addizionali, come i generatori di vortice per aumen-tare la portanza, i regolatori di stallo ( stall strip ) per sta-

bilizzare il flusso d aria o alette inserite all estremit della pala per ridurre la perdita di portanza e il rumore.

Organi di trasmissioneLe pale sono collegate al mozzo che ospita i mecca-

nismi di regolazione del pitch. Il mozzo di solito un pezzo di acciaio o di ferro a graf ite sferoidale ed pro-tetto esternamente da un involucro di forma ovale, lospinner. L albero del rotore sostenuto da supporti e ruotaa velocit relativamente bassa (10-40 giri al minuto). Ladimensione e il peso dei generatori elettrici sono appros-simativamente proporzionali alla velocit di rotazione.quindi importante progettare i generatori con una velo-cit di rotazione elevata (per esempio, 1.000 o 1.500 girial minuto) e utilizzare un moltiplicatore di giri interme-dio per trasformare la rotazione lenta dell albero nellavelocit di rotazione elevata del generatore. La fig. 8 illu-stra lo schema interno di una turbina eolica tipica.

Moltiplicatore di giriIl moltiplicatore di giri impiegato per incrementa-

re la velocit del rotore fino ai valori richiesti dai gene-ratori convenzionali. In alcune turbine il rapporto del

moltiplicatore pu superare 1:100. L effetto si ottiene in

tre fasi separate. Il primo stadio di solito un moltipli-catore planetario, mentre gli altri sono moltiplicatori

paralleli o elicoidali. Il moltiplicatore di giri comun-que una sorgente di rumore, che i produttori si sforzanodi ridurre, per esempio utilizzando moltiplicatori elicoi-dali invece di moltiplicatori ad assi paralleli. Il molti-

plicatore viene lubrificato e l olio viene continuamentefiltrato e raffreddato. Nell ambito della manutenzione

preventiva, che pratica standard, si controllano nor-malmente sia la temperatura del moltiplicatore sia le suevibrazioni.

GeneratoreIl generatore lunit di trasformazione dell energia

meccanica in potenza elettrica. Vi sono due tipi principali di generatori: asincroni e sincroni.

Generatori asincroni

I generatori asincroni sono essenzialmente motori tri-fase a induzione. Sono caratterizzati da una velocit sin-crona, determinata dal numero di poli del rotore e dalla fre-quenza di rete. Con una rete a 50 Hz e un generatore fab-

bricato con due paia di poli sul rotore, la velocit sincrona di 1.500 giri al minuto. Se la coppia meccanica agentesullalbero fa aumentare la velocit di rotazione, il gene-ratore trasferisce energia elettrica alla rete. La differenzatra la velocit effettiva di rotazione e la velocit sincro-na detta slip . Nei generatori asincroni convenzionali do-tati di un rotore a gabbia di scoiattolo, lo slip circa del-

l1%, cosicch tali generatori sono considerati dispositivi



1

2

6 7 8 9 10 11 12 13 14

15

3

4

5

18 1617

1 pala2 su pporto de lla pala3 attuat ore dell ango lo di p itch della pala4 mozzo5 sp inner 6 supporto pr incipale7 alb ero principa le8 luci di seg nalazione

aere a9 m oltiplicat ore di giri

10 alber o a velocit elevata e fre no11 unit idraulica e

d ispositivo di raffredd amento12 ge neratore13 strument azione elettri ca

e di spositivi di c ontrollo14 anemomet ri15 trasf orm atore16 struttura de lla gondola17 torre18 organo di tra smissione per l im bardata

fig. 8. Struttura tipica di una turbina eolica.


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a velocit costante. La corrente di magnetizzazione per lo statore fornita dalla rete stessa. All avvio, lo statore collegato alla rete da un avviatore statico ( soft starter )che limita la corrente iniziale. Il generatore consuma unacerta quantit di potenza reattiva, che dev essere com-

pensata da un insieme di capacitori. Quando una rafficadi vento colpisce la turbina, la sua erogazione di energiasubisce una fluttuazione e, se la potenza di corto circuitodella rete locale bassa, ne possono derivare variazionirapide di potenza sui dispositivi collegati in prossimit ,come, per esempio, le lampade elettriche. Queste flut-tuazioni di illuminazione, dette a volte sfarfallii , sono

particolarmente spiacevoli e hanno indirizzato la ricercaverso la realizzazione di sistemi a velocit variabile. Unasoluzione consiste nell utilizzare un rotore a bobina ali-mentato da una corrente alternata indipendente, elabora-ta da un convertitore di frequenza elettronico. La velocit sincrona quindi una funzione della differenza tra la fre-quenza di rete e la frequenza della corrente del rotore. Si

pu raggiungere una variazione di velocit inferiore osuperiore al 30%; vale la pena sottolineare che l energiaelettrica richiesta dal rotore solo una frazione (circa il10%) dell energia utile disponibile allo statore.

Generatori sincroni

In questo caso il rotore costituito da un insieme dielettromagneti o magneti permanenti. La frequenza della

corrente prodotta da questo tipo di generatore diretta-mente proporzionale alla velocit di rotazione. Un talegeneratore, connesso direttamente alla rete, ruota a velo-cit fissa, senza alcuna variazione. Per permettere unamodalit di funzionamento a velocit variabile, si con-verte la corrente a frequenza variabile del generatore incorrente continua, mediante un raddrizzatore elettroni-co, e si ritrasforma la corrente continua in corrente alter-nata idonea alla distribuzione sulla rete. Tutti i genera-tori a trasmissione diretta funzionano secondo questo

principio. I generatori di questo tipo sono pi costosi diquelli asincroni, ma l assenza di un moltiplicatore di girielimina una fonte di problemi di manutenzione e riduceil rumore complessivo della turbina. Per poter produrrela potenza elettrica richiesta, questi generatori hanno ungrande diametro. La fig. 9 mostra lo schema di una tur-

bina a trasmissione diretta. La gondola molto pi gran-de rispetto alle turbine dotate di moltiplicatore di giri edi generatore a velocit di rotazione elevata, come quel-la mostrata in fig. 8. Alcuni fabbricanti di turbine pro-

pongono una soluzione ibrida, con un generatore cheruota a velocit intermedia e un moltiplicatore di giri conun basso rapporto di moltiplicazione.

Trasformatore e cablaggioIl livello di tensione di uscita del generatore re-

lativamente basso (per esempio, 690 V) e deve essere



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1 pala2 avvolgimen to dello stato re3 avvol gim ento del rotore o magnete p erm anente4 suppor to d ella pala5 attua tore dell angolo di pitch del la pala6 mo zzo7 albero8 supp or to del roto re

9 r otore10 stato re11 luci di segna lazione aere a12 anemo metri13 s trumentazio ne elettrica e dispos itivi di contr ollo14 st rut tura della gondola15 involucro della gondo la16 torr e17 organo di trasmissione

per l im bardata

fig. 9. Turbina a trasmissione diretta con generatore sincrono.


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aumentato a un livello medio (per esempio, 36 kV) per

mezzo di un trasformatore, per ridurre le perdite di tra-smissione. Il trasformatore installato nella gondola, oalla base della torre. I cavi elettrici flessibili, che colle-gano la gondola alla base della torre, formano un anel-lo al di sotto della gondola, per consentirne i movimen-ti di imbardata. Tali movimenti vengono monitorati: sela rotazione superiore a due giri, la gondola viene imbar-data in direzione opposta durante il periodo successivodi assenza di vento, per sbrogliare i cavi.

Sistema di imbardataLintera gondola viene fatta ruotare sulla sommit

della torre da un sistema di imbardata, per fare in modoche il rotore fronteggi sempre il vento. La velocit e ladirezione del vento vengono monitorati continuamenteda sensori collocati sul tetto della gondola. In genere ilrotore viene posizionato secondo la direzione media delvento, calcolata sugli ultimi 10 minuti dal calcolatoredella turbina.

TorreLaltezza della torre dipende dal regime di vento loca-

le. Sulla terraferma, la gondola viene collocata in gene-re a un altezza pari a 1 o 1,2 volte il diametro del rotore.In zone con venti deboli la gondola viene posizionata inalto, in modo da essere esposta a venti pi intensi; in

mare essa pu essere posizionata pi in basso, tipica-

mente a un altezza pari a 0,8 volte il diametro del roto-re. Le torri tubolari sono costruite generalmente in acciaiolaminato, anche se alcune sono in cemento; hanno formaconica, con il diametro della base maggiore di quelloallaltezza della gondola. Le diverse sezioni sono colle-gate da flange imbullonate. Le torri tubolari hanno il van-taggio di proteggere la strumentazione all interno e gliaccessi alla gondola per la manutenzione sono molto pi sicuri e agevoli rispetto alle torri a traliccio. Si pu acce-dere alla gondola mediante una scala all interno dellatorre e nelle turbine pi grandi disponibile un ascen-sore. Le torri, che hanno sezione cilindrica per motivi di

simmetria (poich il vento pu soffiare da ogni direzio-ne), creano una notevole scia sottovento; questo il moti-vo principale per cui nella maggior parte delle turbine ilrotore posizionato sopravvento. Si tratta inoltre di strut-ture molto visibili, che non devono mostrare segni di cor-rosione per molti anni; a questo scopo si sceglie un rive-stimento appropriato.

Le prime turbine eoliche erano installate su torri atraliccio. Queste si possono utilizzare anche per granditurbine e vengono tuttora preferite quando le capacit locali di realizzazione le rendono l opzione pi razio-nale. Le torri sono fissate nel terreno grazie a fonda-

menta costituite in genere da piastre di cemento collo-cate a una certa profondit .



tab. 2. Caratteristiche tipiche di una grande turbina eolica

Potenza nominale 4,5 MW

Numero di pale 3

Diametro del rotore 120 m

Controllo inclinazione della pala e velocit variabile

Lunghezza della pala 58 m

Corda massima della pala 5 m

Massa di una pala 18 t

Massa della gondola con rotore e pala 220 t

Massa della torre (struttura tubolare in acciaio) 220 t

Altezza della torre (in dipendenza dalle condizioni locali del vento) 90-120 m

Diametro della torre alla base 5,5 m

Velocit di rotazione del rotore 9-15 giri/min

Rapporto del moltiplicatore di giri 100:1

Velocit del vento di avviamento della turbina 4 m/s

Velocit del vento nominale 12 m/s

Velocit del vento di arresto della turbina 25 m/s


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Dispositivi ausiliariI principali dispositivi ausiliari all interno della gon-

dola sono: un freno meccanico installato sull albero dirotazione veloce per bloccare la rotazione in condizionimeteorologiche avverse o per permettere la manuten-zione; un dispositivo idraulico per lubrificare il molti-

plicatore di giri o altre parti meccaniche; scambiatori dicalore per il raffreddamento dell olio e del generatore.Sulla sommit della gondola sono collocati anemometrie banderuole per il controllo della turbina, luci di segna-lazione per la navigazione aerea, una piattaforma di sup-

porto agli elicotteri (per l accesso alle turbine in mare).La strumentazione viene continuamente perfeziona-

ta, per migliorare l affidabilit e la convenienza econo-mica delle turbine e si utilizzano oggi molti sensori per monitorare lo stato della strumentazione e facilitarne lamanutenzione. Ci particolarmente critico per le turbi-ne in mare, alle quali non facile accedere; queste tur-

bine sono dotate di gru per semplificare le operazioni.

6.2.5 Caratteristiche tipichedelle grandi turbine attuali

La tab. 2 riassume i dati pi rilevanti relativi alle gran-di turbine. I valori specifici dipendono dalla tecnologiain possesso dei diversi produttori, ma i parametri indi-cati nella tabella si possono considerare tipici di una tur-

bina da 4,5 MW.

La fig. 10 mostra la gondola di una turbina da 5 MW:il diametro del rotore di 126 m e la gondola colloca-ta a 100 m di altezza. Nella fig. 11 si osserva una turbinada 2 MW a trasmissione diretta, con la gondola di gran-de diametro tipica di questo tipo di apparato, dotato di ungrande generatore e privo di moltiplicatore di giri.

6.2.6 Altri tipi di turbine eoliche

Vi sono altri tipi di turbine eoliche e, anche se il tipoorizzontale a tre pale sopravvento che abbiamo descrit-to finora il pi diffuso, alcuni altri modelli hanno unaloro rilevanza. Nel seguito sono descritti brevemente i

principali sistemi esistenti.Turbine ad asse orizzontale a due pale . La fig. 12

mostra il tipo di turbina a due pale installato nei PaesiBassi. I rotori a due pale devono ruotare pi velocementedi quelli a tre pale e perci il rumore aerodinamico maggiore. Un rotore a due pale soggetto a gravi squi-libri dovuti alle variazioni di velocit del vento causatedall altezza e a effetti giroscopici quando la gondolaviene imbardata. Un metodo per ridurre i carichi corri-spondenti consiste nell utilizzare dei mozzi di traballa-mento (teetering hub ) con il rotore incernierato all al-

bero principale. Le turbine a una pala, invece, sono state prevalentemente installate in Italia; sono ormai in disu-so da alcuni anni.

Turbine multi-pala . La velocit di rotazione diminuisceal crescere del numero delle pale, ma la coppia aumenta.



fig. 11. Turbina a trasmissione diretta da 2 MW(per cortesia dell Autore).

fig. 10. Turbina da 5 MW. Si osserva un esercitazionedi accesso per mezzo di un elicotteroalla sua sommit (per cortesia di Repower).


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In zone con venti deboli, queste turbine si utilizzano spes-so in agricoltura, per azionare pompe per l acqua.

Turbine eoliche per zone interessate da cicloni . Que-ste turbine sono installate su torri inclinabili che vengo-no posizionate orizzontalmente e assicurate al terrenoquando si preannuncia un ciclone.

Turbine ad asse verticale . Il vantaggio principale diquesto tipo di turbina consiste nell assenza di un siste-ma per l imbardata. Si tratta di un tipo di turbina menoefficiente di quella ad asse orizzontale, ma la semplifi-cazione che la caratterizza riveste un interesse per pic-

coli impianti, da utilizzare in zone climaticamente seve-re, come quelle montuose o artiche. Il rotore pu posse-dere un elevata solidit , e quindi una resistenza meccanicaelevata. La fig. 13 mostra un dispositivo da 6 kW usato

per il riscaldamento dell acqua, in una stazione sciisti-ca in Valle d Aosta.

6.2.7 Sviluppo della produzionedi energia eolicasulla terraferma

Lenergia eolica si sviluppata notevolmente a parti-re dagli anni Novanta. La tab. 3 riassume la potenza

installata in alcuni paesi alla fine del 2005. La potenzatotale di ca. 53 GW, la maggior parte della quale inEuropa (Tishler e Milborrow, 2005). In Germania e inDanimarca, poich diventato difficile allestire nuovisiti, stata aumentata la potenza di quelli esistenti, sosti-tuendo le vecchie turbine con modelli pi moderni e pi grandi. La potenza installata molto diversa tra i vari

paesi, e questo riflette il sostegno politico e gli incenti-vi finanziari resi disponibili localmente.

Esistono alcuni problemi ambientali connessi all in-stallazione di una turbina eolica: l impatto visivo deverisultare accettabile per la popolazione locale; si devo-no studiare il disturbo e l alterazione degli habitat per uccelli, pipistrelli e altri animali; necessario valutare ilrumore nei pressi della turbina anche se stato notevol-mente ridotto nei modelli pi recenti e non pi perce-

pibile a 500 m di distanza dalla torre.Gli investimenti necessari per un impianto sulla ter-

raferma dipendono da diversi fattori: a) la potenza dellaturbina; b) il numero di turbine del parco eolico; c) ladistanza e le caratteristiche dei collegamenti alla rete;d ) le difficolt connesse alla costruzione della turbina.In genere si considera un costo complessivo compresotra 900 e 1.100 /kW (anno di riferimento 2006). Il costodella turbina ammonta a circa 800 /kW; tale costo di-minuito di circa il 50% negli ultimi 15 anni (Morthorste Chandler, 2004) e il costo dell energia gi, in alcu-ne circostanze, minore di quello della produzione elet-trica da gas (Milborrow, 2005).

6.2.8 Sviluppo della produzionedi energia eolica in mare

Il vento sulla superficie del mare aperto pi intenso estabile che sulla terraferma e costituisce pertanto unasorgente di energia molto allettante, che pu rappre-sentare in effetti una risorsa del 30-40% pi grande diquanto non sia sulla terraferma. La tecnologia che si



fig. 12. Turbine a due pale nei Paesi Bassi(per cortesia dell Autore).

tab. 3. Potenza installata (GW) in alcuni paesialla fine del 2005

Germania 18,1 Paesi Bassi 1,2

Spagna 9,8 Portogallo 1,0

Stati Uniti 8,9 Giappone 0,9

India 4,2 Francia 0,8

Danimarca 3,1 Austria 0,7

Italia 1,7 Cina 0,7

Regno Unito 1,3 Svezia 0,5


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impiega attualmente per imbrigliare il vento al largo molto simile a quella disponibile sulla terraferma, alme-no per ci che riguarda la parte aerea della turbina. Sitratta di impianti a tre pale e ad asse orizzontale, salda-mente ancorati al fondale.

Le turbine eoliche marine devono affrontare alcuni problemi specifici: il momento dei carichi sul rotore esercitato sul fondo

aumentato dalla lunghezza aggiuntiva della torreal di sotto della superficie dell acqua;

le onde provocano carico e usura aggiuntivi sullastruttura, che possono superare di molto quelli dovu-ti al vento;

le caratteristiche meccaniche del terreno che costi-tuisce il fondale spesso non sono buone e le fonda-menta devono perci essere di maggiori dimensioni;

la valutazione di impatto ambientale deve prenderein considerazione una grande variet di forme di vitamarine e l ecosistema nel suo complesso non anco-ra compreso appieno;

in mare hanno luogo diverse attivit e i cavi elettricisottomarini rappresentano spesso un pericolo.Le strutture di supporto per le turbine marine posso-

no essere di diversi tipi ( fig. 14 ). In acque basse le turbi-ne possono appoggiarsi su piastre di cemento, ovvero su

cosiddette strutture gravity base , posizionate sul fondo.Se la profondit dell acqua inferiore a 20 m, la strut-tura un tubo d acciaio ( monopile ), conficcato nel fon-dale da un martello idraulico f ino a una profondit suf-ficiente a trasferire i carichi al terreno. Se questo trop-

po duro per consentire la penetrazione del pilone, si procede alla perforazione del fondale e alla successivacementazione del pilone stesso. Sebbene questo sia il tipo

pi economico di fondamenta, il suo utilizzo limitato



fig. 13. Turbine di piccole dimensioni ad asse verticale in Valle d Aosta(per cortesia di Ropatec).

fig. 14. Schemi di strutture di supporto per turbine eolico-marine.


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dal rischio di avere le frequenze di risonanza della strut-tura all interno dell intervallo di frequenze eccitate dalleonde, dalla rotazione del rotore o dalla frequenza di pas-saggio delle pale. La frequenza di risonanza diminuiscecon la lunghezza della struttura e aumenta con il suo dia-metro; in acque profonde, il diametro del pilone diventainaccettabile. Si costruiscono quindi delle strutture a trep-

piedi, costituite da elementi saldati insieme, ancorate alfondale con pali a ogni angolo, con una gravity base odelle ancore a ventosa ( bucket suction anchor ), secondole caratteristiche del fondale. Questa struttura pi com-

plessa rende le fondamenta pi costose.Linstallazione di turbine in mare aperto richiede l im-

piego di navi speciali, equipaggiate con grandi gru, e di puntelli che si appoggiano sul fondale per immobilizzarela piattaforma durante le operazioni di sollevamento(fig. 15 ).

Le turbine devono essere molto affidabili, dato chele operazioni di manutenzione necessitano dell acces-so alla turbina e le cattive condizioni meteorologiche

possono rendere impossibile, per motivi di sicurezza,lavvicinamento con navi. Si giustifica quindi una ridon-danza per alcuni componenti dell apparato e si adottadi routine il monitoraggio tramite sensori collocati nelle

parti pi critiche.Le turbine per l impiego in mare sono progettate

in modo da resistere all ambiente marino: le strutture

sottomarine sono protette dalla corrosione mediante pro-tezione catodica, le parti in aria sono adeguatamente ver-niciate, l isolamento delle parti elettriche viene rinforza-to, e l aria all interno della gondola e della torre viene con-dizionata in modo da evitare la formazione di condensa.

La potenza installata alla fine del 2004 era di 600 MW,con molti progetti di grandi dimensioni in corso di svi-luppo. Gli impianti eolici in mare sono particolarmenteinteressanti quando si ha un mare a bassi fondali in pros-simit di zone densamente popolate come, per esempio,intorno al Mare del Nord, lungo la costa orientale degliStati Uniti, in Cina, ecc. Gli investimenti richiesti per gliimpianti eolici in mare dipendono in gran parte dallecondizioni locali, dalla profondit dell acqua, dai regi-mi ondosi, dalle caratteristiche del fondale, dalla distan-za dalla costa e dai punti di collegamento alla rete. Ilcosto varia tra 1.500 e 2.500 /kW o pi (anno di rife-rimento 2006) ma destinato a diminuire in futuro, conlaumentare della potenza installata.

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Jacques RuerSaipem/Bouygues

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generazione elettrica dal vento

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