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Eolico - Stato dell'arte al 2017 Stampa E-mail
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News Progettazione

tsr-cpNel campo eolico l'attuale tendenza è quella di sviluppare macchine sempre più grandi e potenti; gli attuali aerogeneratori commerciali sono della potenza unitaria di 2-3 MW, ma le potenze ormai si spingono verso i 10 MW.

La configurazione dei grandi aerogeneratori è prevalentemente tripala ad asse orizzontale; le pale sono collegate ad un mozzo che è collegato ad un sistema di conversione dell’energia meccanica in elettrica. Questi organi sono confinati in una navicella che è posta in quota utilizzando una torre di sostegno. La potenza estratta è proporzionale all’area del rotore e al cubo della velocità del vento. Gli aerogeneratori possono operare a giri fissi o a giri variabili con alcuni vantaggi tra cui un’efficienza superiore, possibile riduzione delle sollecitazioni e minore rumorosità alle basse velocità del vento. I grandi aerogeneratori presenti sul mercato sono dotati di tecnologia molto affidabile. La ricerca è molto attiva e si sta concentrando sull’aumento delle taglie per ridurre ulteriormente i costi di produzione. Gli studi si sviluppano nei settori dell’aerodinamica, aeroelasticità, materiali, elettrico. L’efficienza di una macchina eolica dipende molto dalla tecnologia considerata. I sistemi di produzione di elevata potenza, come quelli a 3 pale, possono avere efficienze anche molto vicine a quelle massime teoriche del 59,3% dell'energia cinetica. In un contesto di wind farm, l’efficienza complessiva può risentire dell’interazione con le scie di macchine sopravento, in caso che le distanze reciproche non siano sufficienti. In termini energetici, l’immissione in rete può essere limitata dall’indisponibilità della rete; ovvero il sistema potrebbe generare energia, ma poiché la rete non è in grado di recepirla, la macchina viene fermata.

Per le piccole taglie, le macchine diventano più semplici. Sono generalmente a velocità di rotazione variabile, e l’orientamento è gestito in modo automatico mediante una tailvane oppure adottando soluzioni downwind in cui le pale sono poste a valle della torre. Oltre alle macchine ad asse orizzontale, è possibile trovare anche esempi di macchine operanti con asse verticale ("Savonius", "Darrieus"). Queste sono caratterizzate da rendimenti più bassi, ma essendo meno complesse hanno elevate affidabilità. Girando a velocità di rotazione più basse a parità di velocità del vento, sono molto più silenziose delle macchine ad asse orizzontale. La loro installazione diventa interessante in contesti di generazione diffusa o in ambienti abitati tipici delle piccole taglie. Nel campo mini-micro eolico, le tecnologie sono mature anche se vi sono alcuni margini di miglioramento, l’obiettivo è il contenimento dei costi con il minimo impatto sulle prestazioni dell’aerogeneratore. I principali produttori e distributori di aerogeneratori sono ad oggi:

  • Ropatec
  • Tozzi Nord
  • Aria
  • Jonica Impianti
  • En-Eco
  • Eolart
  • T.R. Energia
  • It-Energy
  • Espe.


La Legge di Betz determina il funzionamento degli aerogeneratori e fissata la sezione della turbina esposta al vento, ad una determinata velocità del vento, esprime la potenza massima producibile:

betz

Introducendo:

  • il Coefficiente di prestazione "Cp" (o di potenza) come il rapporto tra la potenza producibile e quella disponibile,
  • il rendimento meccanico di trasmissione,
  • il rendimento del generatore elettrico,

si ha che la potenza elettrica prodotta si può ricavare dalla seguente relazione:

potenzaeolicaelettrica

Per sezione della turbina esposta al vento si intende:

  • per le turbine ad asse orizzontale: (pi greco * diametro pale)/4 
  • per le turbine ad asse verticale: (diametro pale * altezza) 

Introducendo il "Tip Speed Ratio" come il rapporto tra la velocità tangenziale all'estremità delle pale e la velocità del vento in ingresso, si può sintetizzare l'andamento del Coefficiente di prestazione "Cp" per le varie tipologie di pale (e quindi il Cp massimo), attraverso il grafico TSR-Cp:

tsr-cp

Quindi volendo semplificare, si può stimare il Cp massimo, comprensivo dei rendimenti, per ciascuna tipologia:

Da qui, ipotizzando una velocità del vento, conoscendo la sezione esposta si può determinare la potenza elettrica massima attraverso la formula sopra esposta.

Il riferimento primario per conoscere la disponibilità di ventosità sul territorio Italiano è stimata e sintetizzata nell'atlante eolico (RSE S.p.A):
http://atlanteeolico.rse-web.it
Per la valutazione della velocità del vento, fermo restando la consultazione dell'Atlante Eolico, in assenza di uno specifico studio con anemometro, si riporta la classificazione di Beaufort:

Numero di Beaufort Termine descrittivo Velocità Condizioni a terra
    (m/s)  
0 Calma 0 Il fumo sale verticalmente.
1 Bava di vento 0,3 ÷ 1,5 Movimento del vento visibile dal fumo.
2 Brezza leggera 1,6 ÷ 3,4 Si sente il vento sulla pelle nuda. Le foglie frusciano.
3 Brezza tesa 3,4 ÷ 5,4 Foglie e rami più piccoli in movimento costante.
4 Vento moderato 5,5 ÷ 7,9 Sollevamento di polvere e carta. I rami sono agitati.
5 Vento teso 8,0 ÷ 10,7 Oscillano gli arbusti con foglie. 
6 Vento fresco 10,8 ÷ 13,8 Movimento di grossi rami. Difficoltà ad usare l'ombrello.
7 Vento forte 13,9 ÷ 17,1 Interi alberi agitati. Difficoltà a camminare contro vento.
8 Burrasca 17,2 ÷ 20,7 Ramoscelli strappati dagli alberi. Generalmente è impossibile camminare contro vento.


Esempio:
Una turbina tipo Darreius di sezione esposta 6 m2, esposta ad un vento di 5 m/s (definito dalla classificazione di Beaufort come "Brezza tesa" ovvero dove si può osservare "foglie e rami più piccoli in movimento costante"), ipotizzando la densità dell'aria di 1,225 kg/m3, si svilupperà una potenza elettrica massima di circa:
Pe = 0,35 * 0,5 * 1,225 * 6 * 53 = 160,8 W

Se ad esempio la velocità del vento fosse di 10 m/s "Vento teso - Oscillano gli arbusti con foglie" si avrebbe:
Pe = 0,35 * 0,5 * 1,225 * 6 * 103 = 1286,2 W

Quindi, si può desumere che la velocità riveste un ruolo essenziale per valutare la fattibilità di un investimento nel campo eolico e quindi risulta altamente consigliato uno studio approfondito con anemometro.

Il tempo di rientro dell’investimento per un impianto eolico dipende dalla ventosità del sito di installazione e dalla monetizzazione del kWh elettrico. Per impianti di grossa taglia, indicativamente un sito con velocità media superiore ai 5 m/s è generalmente ritenuto un sito appetibile. Nel campo delle piccole taglie, data la variabilità dei sistemi e delle prestazioni, i tempi di rientro dell’investimento sono molto più sensibili alla ventosità del sito.
Ad oggi in Italia il costo di installazione medio di impianti eolici di grande taglia da singoli aerogeneratori di 850 kW sino a impianti delle decine di MW si attesta intorno ai 1.500 €/kW. Il costo della macchina può ritenersi, prudenzialmente, compreso fra 2/3 e 3/4 del costo totale di installazione in funzione delle caratteristiche orografiche del sito. In caso di sistemi off-shore, i costi di installazione diventano superiori e aumentano con la profondità. Nel settore mini e microeolico, i costi sono molto più variabili e dipendenti dall’installazione e generalmente più alti. Indicativamente si può ipotizzare un costo intorno ai 3.500 – 5.000 €/kW installato.

 

Ultimo aggiornamento Lunedì 16 Ottobre 2017 15:26
 

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