Energia Eolica

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Il prezzo dell’energia elettrica da fonte eolica è in costante discesa e alimenta un mercato in continua crescita in Italia ma soprattutto in Europa. Lo sfruttamento dell’energia eolica è basato sulla conversione dell’energia cinetica del vento in energia meccanica. L’energia meccanica prodotta può essere utilizzata direttamente, come è avvenuto per molti secoli, con i mulini a vento oppure per la generazione di energia elettrica collegando il rotore ad un generatore.
Possiamo distinguere due categorie:
1. Gli aeromotori che effettuano la trasformazione dell’energia meccanica del vento in energia meccanica dell’asse di rotazione e tramite una catena puramente cinematica movimentano materiali (aeropompe), macinano e frantumano materiali (mulini) e azionano macchine operatrici come i motori primi eolici;
2. Gli aerogeneratori che effettuano la conversione dell’energia meccanica del vento in energia elettrica continua o alternata; sono le macchine eoliche per definizione e in genere, quelle che sono state oggetto di maggior studio e sviluppo nell’ultimo decennio. Possono essere ad asse orizzontale oppure ad asse verticale, in genere, del tipo Darrieus; Gli aerogeneratori possono avere differenti configurazioni in relazione all’uso dell’energia elettrica generata. Possono essere isolati o in cluster e ancora essere collegati ad utenze isolate, piccole reti locali (in genere in sistema integrato con altri apparati di generazione o accumulo) o alle reti regionali e nazionali; possono alimentare direttamente macchine operatrici azionate da motori elettrici.

Legge di Betz

Il principio di funzionamento di un aerogeneratore si riconduce alla legge di Betz (1919) che recita: “La frazione di energia cinetica del vento teoricamente convertibile in energia meccanica utilizzando una turbina eolica è inferiore ai 16/27 (o 59%)”.
La legge di Betz è deducibile se si comprende l’azione di deflessione del vento da parte di una pala eolica. Ipotizziamo che il vento sia di tipo laminare ed agisca secondo un flusso cilindrico con direzione da destra verso sinistra nella figura 1. La velocità del vento prima di passare nella turbina è v1, dopo è v2. La velocità di uscita v2 è inferiore alla velocità v1 in quanto il rotore della turbina cattura una parte dell’energia cinetica del vento. Tuttavia la massa d’aria che attraversa l’aerogeneratore nell’unità di tempo (portata) deve rimanere costante nel passaggio. Possiamo immaginare di rappresentare questa stessa massa d’aria con velocità inferiore come un tubo di flusso a sezione allargata. La variazione di velocità forma un immaginario tubo di flusso intorno alla turbina. La variazione di velocità è graduale e non puntuale in prossimità della sezione dell’aerogeneratore, infatti ci sono dei fenomeni di turbolenza intorno al rotore per cui la velocità si abbassa vino a divenire costante (v2). La pressione all’interno della massa d’aria aumenta gradualmente in prossimità della sezione dell’aerogeneratore (forza scaricata sulla pala e trasmessa al rotore) per poi diminuire bruscamente e ritornare costante e pari alla pressione atmosferica circostante. Assumendo la velocità del vento media che attraversa il rotore come la media delle due velocità v1 e v2 e assumendo come P la pressione sul rotore e P0 la pressione in assenza di ostacoli otteniamo il seguente grafico. Si nota dalla funzione che il massimo gradiente di pressione si raggiunge con v2/v1 pari a 1/3 e che il valore di potenza estraibile massimo è di 16/27 o 0,59 della potenza totale del vento.

Gli Aerogeneratori

La tecnologia delle turbine di grande taglia ad asse orizzontale è ormai matura e collaudata, conta numerose applicazioni a cominciare dalle wind farm danesi e tedesche. La rapidità di installazione e la maggiore fiducia di banche e finanziatori nella risorsa garantiscono tempi limitati per avere ritorni di cassa anche consistenti nel caso di siti con alte velocità medie del vento e carico annuo superiore alle 3500 ore (non si dimentichi che pur sempre di fonti rinnovabili si tratta, quindi con una determinata frequenza del fenomeno naturale, vento in questo caso). I grandi numeri in termini di potenza installata sono fatti dagli aerogeneratori di taglia media e grande (sopra i 400 kW) ma non si deve dimenticare anche le altre tipologie con generatori di piccolissima taglia (30 kW) utilizzati dagli autoproduttori e nei sistemi stand alone collegati ad una batteria o affiancati ad altri impianti a fonte rinnovabile. In questo campo sono emergenti i sistemi ad asse verticale che si stanno affinando ed arrivano a buone efficienze: in particolare sono adatti a condizioni di lavoro in ambienti “ostili” con temperature estreme e venti tempestosi in quanto garantiscono una maggiore solidità strutturale ma efficienze molto inferiori a quelli ad asse orizzontale.

Generalità

Le macchine eoliche sono classificabili in diversa maniera e cioè in funzione della tipologia di energia sfruttata, della posizione dell’asse di rotazione, della taglia di potenza, del numero di pale, ecc.
Possiamo quindi determinare diverse categorie:
1. in funzione della posizione dell’asse di rotazione
• (ad asse orizzontale (HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine);
• ad asse verticale (VAWT = Vertical Axis Wind Turbine);
2. in funzione della taglia di potenza
• di piccola taglia (rotore di D<20 m e P< 100 kW);
• di media taglia (rotore di 20<D<50 m e 100<P< 800 kW);
• di taglia intermedia (rotore di D50 m (o poco più) e 800<P< 1000 kW);
• di grande taglia (rotore di D>50 m e P> 1000 kW) (esistono macchine fino a 3000 kW);
3. in funzione della velocità del rotore
• lento (multipala o mulino americano);
• veloce (con poche pale, in genere fino a 4);
4. in funzione del numero di pale
• multipala (ad elevata solidità o mulino americano);
• a bassa solidità (da 1 a 3-4 pale massimo);
5. in funzione della regolazione
• controllo di passo;
• controllo per stallo;
• controllo di imbardata.
Altre variabili utili alla classificazione riguardano la tipologia della torre (metallica tubolare o a traliccio, in cemento) ed il tipo di progetto delle macchine soft o hard in funzione della rigidezza del rotore, in genere riguardo le macchine ad asse orizzontale. Esiste oggi una ulteriore classificazione in macchine a velocità variabile o a velocità fissa ed, inoltre, in funzione del tipo di generatore elettrico. In questa ultima ripartizione esistono macchine che possiedono due generatori e macchine con generatori a numero di coppie polari variabili. Ancora, esistono macchine dotate di inverter e macchine che ne sono prive. Dal punto di vista della linea d’assi: le macchine possono essere con o senza moltiplicatore del numero di giri.

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