Cenni storici
L'energia eolica è stata largamente utilizzata sin dall'antichità in svariate applicazioni quali la navigazione a vela, la ventilazione dei cereali e l'essiccazione dei prodotti dell'agricoltura e della pesca. L'uso della vela per lo spostamento di imbarcazioni appare già in primitive raffigurazioni egizie del 2500 a.C. e costituisce il primo esempio di utilizzazione delle energie naturali come forza motrice. I primi mulini a vento comparvero nelle aree considerate la culla della civiltà: Mesopotamia, Cina, Egitto. E' tramandato che il re di Babilonia Hammurabi progettò, nel 17° secolo a.C., di irrigare la pianura mesopotamica per mezzo dei mulini a vento. Si trattava probabilmene di mulini ad asse verticale simili a quelli tuttora in funzione in quei paesi. Bisogna arrivare all'anno 630 d.C., sotto il regno del califfo Omar I, per avere la certezza storicamente valida che il mulino a vento era una macchina di uso corrente. In Europa i mulini a vento apparvero in ritardo, nel Medioevo al tempo delle Crociate; essi erano concezione del tutto diversa, con ruota ad asse orizzontale e di dimensioni maggiori, tecnologicamente più complessi e di maggior rendimento. I mulini furono usati nel corso dei secoli in tutta Europa per i più svariati usi, come la macinazione dei cereali, la spremitura delle olive, il pompaggio dell'acqua, l'azionamento di segherie, svariati usi, come la macinazione dei cereali, la spremitura delle olive, il pompaggio dell'acqua, l'azionamento di segherie, cartiere, tintorie, industrie del tabacco. Ricordiamo in particolare i classici mulini che gli olandesi utilizzarono a partire dal 1350 per il drenaggio delle paludi; a metà del 1800 se ne contavano ancora 9.000 in funzione.
Nel secolo scorso cominciarono a diffondersi aeropompe con giranti multipala di piccolo diametro, utilizzate poi in un grandissimo numero di esemplari nelle fattorie dei territori di nuova colonizzazione. Solo negli Stati Uniti d'America, tra il 1880 e il 1930, ne furono installati milioni di esemplari per usi agricoli e domestici; molte di queste macchine esistono ancora e parecchie sono tuttora in uso. I primi generatori di energia elettrica azionati dal vento risalgono agli inizi del '900 e nel 1914 erano già in funzione diverse centinaia di macchine di potenza compresa tra 3 e 30 kW. Nel periodo tra le due Guerre Mondiali fu compiuta una rapida evoluzione sul piano tecnologico, con la costruzione di aerogeneratori di potenze crescenti da 40-80 kW fino ai 1250 kW dell'aerogeneratore americano di Grandpa's Knob (fig. 3); in alcuni paesi, come la Danimarca, si arrivò a soddisfare una consistente parte del fabbisogno di energia elettrica nazionale con generatori a vento di media potenza ubicati in prossimità di fattorie e villaggi. L'utilizzazione su grande scala dei combustibili fossili, che nel secondo dopoguerra forniva energia a costi bassissimi, portò a un quasi completo abbandono delle ricerche e della produzione di aerogeneratori.
Il vento
I venti sono dovuti al riscaldamento non uniforme della superficie terrestre ad opera del sole; durante il giorno le masse di aria sovrastanti le acque del globo restano fredde, in rapporto a quelle situate al di sopra delle aree continentali, in quanto parte dell’energia termica proveniente dal sole viene utilizzata per l’evaporazione dell’acqua.
Quindi, l’aria al di sopra delle terre emerse si espande, diviene più leggera e si solleva, mentre l’aria più fredda e più pesante, proveniente dagli oceani, si muove per prenderne il posto. A questi colossali spostamenti di masse d’aria verso zone caratterizzate da una bassa pressione contribuisce anche il moto di rotazione del pianeta.
La radiazione solare può essere vista come un’enorme pompa che tiene costantemente in movimento il ciclo delle masse d’aria planetaria, la cui energia cinetica complessiva ammonterebbe a 1,58⋅1016KWh/anno.
Per sfruttare al meglio l’energia eolica, mediante sistemi di conversione in energia elettrica è importante conoscere le seguenti caratteristiche:
densità dell’aria;
caratteristiche topografiche del sito;
variazione nel tempo della direzione e della velocità del vento;
Densità dell’aria: ritenendo valida, per l’aria, la legge dei gas perfetti alla pressione atmosferica ed alla temperatura di 15oC la
densità dell’aria vale 1,22 kg/m2. La densità segue quindi le variazioni della pressione e della temperatura. La densità varia :
•in funzione delle condizioni climatiche; •in funzione delle condizioni climatiche;
•in funzione dell’altezza sul livello del mare ( a 3000 m la densità è inferiore del 30% rispetto a quella sul livello del mare). La variazione della densità dell’aria ha effetti sullo sfruttamento dell’energia del vento, infatti, a velocità costante, la potenza del vento aumenta all’aumentare della quota, e al diminuire della temperatura sotto i 20oC.
Caratteristiche topografiche del sito: l’intensità del vento è notevolmente influenzata dall’aspetto topografico del sito. In generale,
la velocità del vento è più elevata sulle colline che nel fondo delle valli; in particolare, le colline situate in prossimità delle coste costituiscono dei siti favorevoli allo sfruttamento dell’energia eolica, principalmente quando sono spoglie e con pendenze dolci e progressive. Le colline e le coste dirupate di forte pendenza sono, per contro, meno favorevoli a causa delle notevoli turbolenze presenti, che creano sollecitazioni pericolose.
Variazione nel tempo della direzione e della velocità del vento: questa caratteristica dei venti è fortemente influenzata dalle
asperità terrestri e dalla variabilità verticale, che insieme alla vegetazione, producono la turbolenza atmosferica e le raffiche di vento.
Valutazione della risorsa
La conoscenza delle potenzialità eoliche di una certa località è di fondamentale importanza per stabilire la competitività economica di questa fonte energetica rispetto alle altre fonti rinnovabili. Occorre, a questo proposito conoscere, la velocità del vento, e l’unico metodo corretto è quello di ricorrere a rilevamenti anemometrici, distribuiti in un arco di tempo abbastanza lungo (15-20 anni), tali da avere una “storia del vento” la più attendibile possibile. Si vogliono risultati che, elaborati statisticamente, possano descrivere in modo esaustivo la località da un punto di vista anemologico.
Le elaborazioni statistiche di uso più frequente sono le seguenti:
a) distribuzione di frequenza della velocità del vento: rappresenta il numero di eventi che hanno assunto una certa intensità; b) distribuzione di frequenza cumulata percentuale: rappresenta la percentuale di eventi che hanno assunto un’intensità pari o
superiore ad un dato livello di velocità;
c) tempo medio di permanenza: viene stabilito riportando per ciascun mese dell’anno, il valore medio e lo scarto quadratico
medio del tempo durante il quale la velocità del vento si mantiene costantemente a valori superiori o uguali al livello di medio del tempo durante il quale la velocità del vento si mantiene costantemente a valori superiori o uguali al livello di velocità considerato;
d) tempo medio di ritorno: è il tempo necessario alla velocità del vento per tornare al di sopra di un dato livello di velocità.
Le elaborazioni statistiche presuppongono la conoscenza di numerosi dati eolici registrati da anemometri, nella maggior parte dei casi non esistono un numero sufficiente di stazioni con lunghe serie storiche di dati, né è plausibile pensare alla loro istallazione, in quanto i dati utilizzati sarebbero disponibili in un arco di tempo troppo lungo, vanificando un intervento energetico anche a medio tempo.
Per avere una valutazione, anche approssimata, della potenzialità eolica un sito, non resta che far ricorso a delle “misurazioni indirette”, tramite indicatori di tipo topografico, biologico e geomorfologico.
Indicatori topografici del potenziale eolico: sono una guida per la comprensione delle interazioni del vento con il terreno e
sono una sintesi delle conoscenze metereologice su piccola e media scala. Risultano particolarmente utili quando, avendo effettuato una certa selezione su siti ottimali, si tratta di effettuare la scelta definitiva tra due di questi. Gli indicatori di questo tipo possono essere classificati facendo riferimento a due tipi di flusso:
1) flusso su terreni pianeggianti: questo tipo di flusso è stato studiato con misurazioni e simulazioni nella galleria del vento,
il terreno infatti non è mai completamente piatto, si presentano sempre delle irregolarità. Un terreno può considerarsi piano se le irregolarità presenti non hanno effetto percettibile sul vento e sulle caratteristiche di turbolenza nella regione fra il terreno e la sommità del rotore.
2) Flusso su terreni con rilievi di piccola scala: si definiscono così le configurazioni topografiche come piccole colline e
crinali, piccoli avvallamenti, canyons, gole e in genere depressioni. La velocità del vento aumenta con l’aumentare dell’altezza quindi in prossimità delle creste si ha una velocità maggiore rispetto al suolo, in questi casi interessa conoscere la distribuzione della velocità lungo il crinale.
Indicatori biologici del potenziale eolico: i processi biologici e fisiologici, in aree ove spirano venti persistenti, possono
subire modificazioni causando sostanziali e permanenti cambiamenti nella flora. Basandosi su questi effetti è possibile ricavare delle informazioni sulle caratteristiche del vento a varie classi di scala:
ricavare delle informazioni sulle caratteristiche del vento a varie classi di scala:
•piccola: dove il vento ha deformato in modo permanente un singolo albero o un cespuglio;
•regionale: dove il vento ha deformato un numero elevato di alberi dalla cui osservazione è possibile risalire ad una mappa
eolica del luogo
•grande: dove, con l’uso di tecniche appropriate, è possibile mostrare gli effetti del vento su una intera comunità di piante.
Indicatori geomorfologici del potenziale eolico: l’interazione dei venti con la superficie terrestre è causa di modificazioni
geomorfologiche; nelle regioni aride dove la vegetazione è sparsa il vento erode la superficie, trasporta la sabbia e detriti e deposita sedimenti. Per lo studio della velocità del vento quello che interessa è lo studio delle dune che possono essere classificate in tre configurazioni:
•dune “rapanti”: dove il vento sale sopra una affilata rottura del terreno;
•dune “da crollo”: dove la sabbia è spinta sopra la rupe e cade in una valletta riparata;
•dune “da accumulo”: in una depressione del terreno si accumula la sabbia sino a formare le dune.
La velocità del vento può essere stimata in base alla distribuzione granulometrica dei granelli di sabbia, o della migrazione delle dune.
La conversione dell’energia eolica
L’energia disponibile nel vento è essenzialmente energia cinetica, le macchine utilizzate per la captazione di questa energia sono gli aerogeneratori (fig.1). La massa di aria in movimento spinge le pale degli aerogeneratori, la rotazione delle pale viene trasmessa ad un generatore che produce elettricità. Vediamo più in dettaglio come è costituito un aerogeneratore, prendendo come riferimento un aerogeneratore ad asse orizzontale, ossia parallelo alla direzione del vento.
Il rotore
E’costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale che possono ruotare ad una velocità superiore ai 200 chilometri orari. Le pale più utilizzate sono realizzate in fibra di vetro. Il numero delle pale può variare: i rotori a due pale sono meno costosi e girano a velocità più elevate, sono però più rumorosi e vibrano di più di quelli a tre pale, tra i due la resa energetica è quasi equivalente. Sono stati realizzati anche rotori con una sola pala equilibrata da un contrappeso , a parità di condizioni questi rotori sono più veloci del binala, ma hanno rese energetiche inferiori. Ci sono anche rotori con numerose pale, di solito 24, impiegate per azionamento diretto di macchine, come le pompe.
Sono stati messi a punto dei rotori con pale “mobili”, variando l’inclinazione delle pale al variare della velocità del vento è possibile mantenere costante la quantità di energia prodotta dall’aerogeneratore.
Il sistema frenante
E’ costituito da due sistemi indipendenti di arresto delle pale, un sistema di frenaggio aerodinamico, e uno meccanico. Il primo viene utilizzato per controllare la potenza dell’aerogeneratore, come freno di emergenza in caso di sovravelocità del vento, per arrestare il rotore. Il secondo viene utilizzato per completare l’arresto del rotore e come freno di stazionamento
La torre e le fondamenta La torre e le fondamenta
La torre sostiene la navicella e il rotore, può essere a forma tubolare o a traliccio, in genere è costruita in cemento armato, in acciaio o fibre sintetiche.
La struttura dell’aerogeneratore per poter resistere alle oscillazioni ed alle vibrazioni causate dalla pressione del vento deve essere ancorata al terreno mediante fondamenta. Le fondamenta sono completamente interrate e costruite con cemento armato.
Il moltiplicatore di giri
Il moltiplicatore di giri serve per trasformare la rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce in grado di far funzionare il generatore di elettricità.
Il generatore
Il sistema di controllo
Il funzionamento di un aerogeneratore è gestito da un sistema di controllo che svolge due diverse funzioni. Gestisce, automaticamente e non, l’aerogeneratore nelle diverse operazioni di lavoro e aziona il dispositivo di sicurezza che blocca il funzionamento dell’aerogeneratore in caso di malfunzionamento e di sovraccarico dovuto ad eccessiva velocità del vento.
La navicella e il sistema di imbardata
La navicella è una cabina dove sono ubicati tutti i componenti di un aerogeneratore, ad eccezione del rotore e del mozzo. La navicella è posizionata sulla cima della torre e può girare di 180o.
Per assicurare il massimo rendimento dell’aerogeneratore è importante mantenere un allineamento più continuo possibile tra l’asse del rotore e la direzione del vento. Negli aerogeneratori di media e grossa taglia, l’allineamento è garantito da un servomeccanismo, detto sistema di imbardata, mentre nei piccoli aerogeneratori è sufficiente l’impiego di una pinna direzionale. Nel sistema di imbardata un sensore, la banderuola, indica lo scostamento dell’asse dalla direzione del vento e aziona un motore che riallinea la navicella.
Esistono aerogeneratori diversi per forma e dimensioni. Possono, infatti, avere una , due o tre pale di varie lunghezze: quelli Esistono aerogeneratori diversi per forma e dimensioni. Possono, infatti, avere una , due o tre pale di varie lunghezze: quelli con pale lunghe 50 centimetri vengono utilizzate come caricabatteria quelli con pale lunghe circa 30 metri, sono in grado di erogare una potenza di 1500 kW, riuscendo a soddisfare il fabbisogno elettrico giornaliero di circa 1000 famiglie. Il tipo più diffuso è l’aerogeneratore di taglia media, alto oltre 50 metri, con due o tre pale lunghe circa 20 metri, questo tipo di aerogeneratore è in grado di erogare una potenza di 500-600 kW e soddisfa il fabbisogno elettrico giornaliero di circa 500 famiglie.
Dal punto di vista delle dimensioni, le macchine si suddividono in:
•macchine di piccola taglia: potenza 5-100 kW, diametro rotore 3-20 m, altezza mozzo 10-20 m;
•macchine di media taglia: potenza 100-800 kW, diametro rotore 25-50 m, altezza mozzo 25-50 m;
Aerogeneratori ad asse verticale
Oltre agli aerogeneratori ad asse orizzontale già descritti esistono anche quelli ad asse verticale prendiamo in considerazione l’AG Windrotor (fig.2).
L’AG Windrotor è un impianto eolico innovativo brevettato ed estremamente funzionale. Dell’energia eolica che investe il rotore, esso riesce a trasformarne in energia elettrica il 48%. L’impianto parte autonomamente, indipendentemente dalla direzione del vento e produce energia già ad una velocità del vento di circa 2 m/s. Le parti del rotore sono saldamente fissate, non possiede parti spostabili meccanicamente, è solido, silenzioso ed, al di fuori dell’ingrassamento annuale di un cuscinetto, esente da manutenzione. L’impianto é resistente a raffiche di vento, raggi UV, calore, venti sabbiosi e bufere con variazione improvvisa della direzione del vento. In questi casi il rotore non deve essere fermato, poiché a 90 giri/min. ( densitá aria 1,29 ) non scorre più aria attraverso di esso e si stabilizza quindi automaticamente formando una depressione. É l’unico impianto al mondo che produce durante bufere costantemente la corrente nominale.
Il rotore viene costruito con profili e lamiere in alluminio con spessori fino a 2 mm., che garantiscono una lunga durata nel tempo e sono resistenti anche a forti variazioni di temperatura, nubi tossiche e venti saliferi. Per l’ottimale disposizione del perno e delle ali, l’intero sistema viene pervaso dal vento, avviando, per mezzo dell’inversione del flusso d’aria e la successiva accelerazione, l’ala tornante contro il vento.In caso di una forte nevicata in assenza di vento, il rotore sopporta grazie alla sua simmetria perfetta il carico nevoso senza alcun problema. Appena il sole riscalda l’alluminio, la neve inizia a sciogliersi oppure viene spazzata via al ritorno del vento.
Se invece per eccessiva umidità si formasse della condensa d’acqua all’interno del rotore, questa defluisce attraverso 12 fori di diametro pari a 3 cm. L’ AG Windrotor è adatto soprattutto per utenze non allacciate alla rete pubblica (ad es. rifugi alpini, ripetitori, fattorie ecc.). Può fornire però anche energia a compressori, impianti d’irrigazione, refrigerazione e di desalinazione, pompe d’acqua e di raffreddamento, meccanismi di macinazione ed altro. L’energia ricavata viene trasferita attraverso un cavo dal generatore a magneti permanenti all’utente. Il regolatore elettronico di carico, la batteria ed il convertitore trovano posto nella struttura portante dell’impianto eolico. Da qui la tensione a 24 V in CC viene convertita in una tensione a 220 V 50 Hz in CA. Il convertitore viene utilizzato per l’alimentazione delle diverse apparecchiature. Il regolatore elettronico sovrintende allo stato di carica delle batterie, le quali si trovano tra il regolatore e l’utilizzatore. Esso provvede contemporaneamente sia alla carica delle batterie che alla fornitura diretta, in caso di scarica della batteria ed abbondanza di vento, di energia all’utenza. A seconda dell’intensità del vento l’utente riceve una certa quantità di corrente direttamente dal vento (tramite il regolatore) ed il resto, se necessario, dalle batterie o viceversa. Sul pannello frontale del regolatore si trovano gli strumenti analogici per la lettura dello stato di carica della batteria, la corrente utilizzata dal carico, tensione d’uscita ed i led di segnalazione delle varie funzioni. Il regolatore viene viene fornito in tre parti e con un sistema di commutazione automatica tra l’impianto eolico ed il generatore a Diesel tramite speciali teleruttori. Azionando in assenza di vento e batterie scariche il generatore a Diesel, questo carica contemporaneamente anche le batterie. L’ AG Windrotor con una potenza di 3 kW occupa una superficie di ca. 9 mq. Per le fondamenta è prevista una piattaforma in cemento armato che viene ancorata attraverso 5 punte filettate di diametro 22 e di lunghezza pari a 80 cm. In tabella 1 sono riportati alcuni dati tecnici. ancorata attraverso 5 punte filettate di diametro 22 e di lunghezza pari a 80 cm. In tabella 1 sono riportati alcuni dati tecnici.