UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA
Anno Accademico 2006/2007
ESAME DI PRINCIPI DI INGEGNERIA ELETTRICA LS
Prof. Negrini Francesco
IMPIANTI DI PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA MEDIANTE GENERATORI EOLICI E MICRO-EOLICI
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA
Anno Accademico 2006/2007
ESAME DI PRINCIPI DI INGEGNERIA ELETTRICA LS
Prof. Negrini Francesco
IMPIANTI DI PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA MEDIANTE GENERATORI EOLICI E MICRO-EOLICI
Lo scenario energetico
Oltre l’80% dell’energia utilizzata nel mondo viene prodotta
bruciando combustibili fossili, quali petrolio, carbone e metano.
È ormai accertato che proprio negli impianti in cui si utilizzano
combustibili fossili si generano quei gas inquinanti che,
una volta immessi nell’atmosfera, danneggiano l’ambiente.
Uno sviluppo sostenibile
Per fronteggiare i diversi problemi ambientali è necessario adottare un modello di sviluppo sostenibile per conciliare la crescente domanda di energia, e quindi il crescente consumo di combustibili fossili, con la salvaguardia dell’ambiente.
L’unica soluzione possibile è comunque la DECARBONIZZAZIONE DELL’ENERGIA
l’uso più esteso delle
FONTI DI ENERGIA RINNOVABILI,
in quanto sono in grado di garantire un impatto
ambientale più contenuto di quello
prodotto dalle fonti fossili.
Tra le fonti rinnovabili, l’impiego dell’energia
eolica per la produzione di energia elettrica
è ormai una realtà consolidata, e rappresenta un
caso di successo tra le nuove fonti rinnovabili.
IMPEGNO ALLA DECARBONIZZAZIONE
Le fonti rinnovabili di energia
Le fonti “rinnovabili” di energia sono quelle fonti che, a differenza dei combustibili fossili e nucleari destinati ad esaurirsi in un tempo definito, possono essere considerate inesauribili.
Sono fonti rinnovabili di energia l’energia solare e quelle che da essa derivano:
l’energia idraulica,
del vento,
delle biomasse,
delle onde e delle correnti,
l’energia geotermica,
l’energia dissipata sulle coste dalle maree,
i rifiuti industriali e urbani.
Con opportune tecnologie è possibile convertire queste fonti in energia termica, elettrica, meccanica o chimica.
Le caratteristiche delle fonti rinnovabili
VANTAGGI
Rinnovamento della disponibilità in tempi brevi
Inquinamento ambientale trascurabile
non provoca effetti irreversibili sull’ambiente e il ripristino delle aree utilizzate non ha costi eccessivi
LIMITI
Forniscono energia in modo intermittente (soprattutto eolico e solare)
Il loro utilizzo può contribuire a ridurre i consumi di combustibile nelle centrali convenzionali, ma non può sostituirle completamente.
per produrre quantità significative di energia, spesso è necessario impegnare rilevanti estensioni di territorio
La nascita delle fonti rinnovabili
1973 - Paesi arabi produttori di petrolio aumentarono
improvvisamente il suo prezzo + nel mondo della ricerca crebbe la
consapevolezza della esauribilità dei combustibili fossili. si diffusero i termini di risorse “alternative” e “rinnovabili”:
ALTERNATIVE all’idea che l’energia potesse prodursi solo facendo bruciare qualcosa
RINNOVABILI nel senso che, almeno virtualmente, non si potessero mai esaurire.
La situazione oggi
Oggi, l’utilizzo delle fonti rinnovabili di energia è ormai una realtà consolidata e il loro impiego per la produzione di energia è in continuo aumento.
Questo è reso possibile non solo dal continuo sviluppo tecnologico, ma soprattutto perché gli Stati hanno attribuito a tali fonti un ruolo sempre più strategico nelle scelte di politica energetica, sia nel tentativo di ridurre la dipendenza economica e politica dai paesi fornitori di combustibili fossili, sia per far fronte alla loro esauribilità e alle diverse emergenze ambientali.
Il contributo delle fonti di energia rinnovabile nel mondo
Nel 1996 le fonti rinnovabili hanno contribuito per circa il 17% al soddisfacimento del fabbisogno di energia elettrica mondiale; nell’Unione Europea il dato scende a circa il 6%, mentre in Italia se si includono i grandi impianti idroelettrici è di circa il 20%.
Il contributo delle fonti rinnovabili in Italia
Il fabbisogno energetico nazionale è di circa 173 Mtep/anno.
oltre l’80% viene soddisfatto con fonti fossili importate.
Il contributo delle fonti rinnovabili, se si escludono i grandi impianti idroelettrici, è del 7,4%, pari a circa 12,8 Mtep di cui:
9,5 Mtep sono prodotti dai piccoli impianti idroelettrici,
1 Mtep da impianti geotermici
circa 2,15 Mtep dall’uso domestico delle biomasse per la produzione di calore
Rispetto al potenziale sfruttabile e allo stato dell’arte a livello internazionale, è ancora trascurabile il ricorso alle altre fonti rinnovabili (solare, eolico, biocombustibili, rifiuti, ecc.).
L’energia eolica
Fra le fonti energetiche rinnovabili, il vento è una risorsa disponibile, ecologica e sostenibile.
Tra le fonti rinnovabili derivanti dal Sole, l’energia posseduta dal vento è stata la prima ad essere stata utilizzata dall’uomo sotto forma di energia meccanica (navigazione ed energia prodotta dai mulini a vento per le applicazioni più svariate, dal pompaggio dell’acqua, alla macinazione dei cereali, alla spremitura delle olive, alle industrie manifatturiere)
Tra il 1880 e il 1930 nacquero i primi generatori di energia elettrica, con la costruzione nel 1887-88 a Cleveland (Ohio)del primo impianto eolico ad opera dell'americano Charles F.Brush iniziò la produzione di elettricità sfruttando il vento, gli aerogeneratori avevano potenza variabile fra i 3 ed i 30 kW. Successivamente, con la realizzazione di aerogeneratori di potenze crescenti (dai 50 kW ai 4500 kW dei più grandi di oggi) si giunse alla costruzione di macchine tecnologicamente evolute, ad asse orizzontale e basso numero di pale (da 1 a 3) con sezione a profilo alare, ed in alcuni paesi, come la Danimarca, si arrivò a soddisfare una consistente parte del fabbisogno nazionale di energia elettrica.
Gli sviluppi più moderni
In questi ultimi anni in Europa sono notevolmente aumentati i siti per la produzione di energia elettrica dal vento (Wind Farm), nei luoghi dove le condizioni climatiche, orografiche e ambientali permettono il migliore sfruttamento della risorsa vento.
ha contribuito ad affinare le tecnologie ed a ridurre i costi delle attrezzature eoliche: attualmente infatti sono disponibili sul mercato macchine eoliche di tutte le taglie, sicure e tecnologicamente affidabili.
La produzione di energia elettrica eolica è normalmente associata all’immagine di grandi di siti con numerose ed enormi macchine sui crinali o in mare aperto: impianti spesso non graditi dalle popolazioni per l’impatto visivo sul paesaggio e, quando sono vicini alle abitazioni, per il continuo rumore che provocano.
Gli impianti eolici di piccole e piccolissime dimensioni, invece, hanno un impatto visivo ed ambientale sostanzialmente nullo, di poco superiore a quello di un’antenna parabolica. Essi possono essere utilizzati, da soli o accoppiati con i pannelli fotovoltaici, per fornire elettricità a zone remote o difficilmente raggiungibili dalla rete elettrica (abitazioni isolate, riserve naturali, stazioni meteo, rifugi alpini, ecc.).
Piccoli generatori eolici vengono impiegati anche per alimentare le piccole utenze di bordo delle imbarcazioni da diporto (frigorifero, quadro di controllo, luci, etc.).
Collegati alla rete nazionale, infine, possono integrare l’energia occorrente alle infrastrutture turis...
L’origine del vento
Dal sole giungono sulla Terra 1367W/m2 di energia radiativi il flusso totale netto è di 117000MW.
Quest’enorme quantità di energia che si ripartisce fra:
aria formazione dei venti
acqua correnti marine
terra fotosintesi clorofilliana
Si stima che circa il 2% dell’energia irradiata dal sole si converta in energia eolica.
Al movimento di masse d’aria generato dalle differenze di pressione viene comunemente dato il nome di vento. I fattori che ne determinano l’intensità e la direzione sono molteplici, tuttavia, fra esse prevale certamente la variabilità dell’irraggiamento solare: in uno stesso momento, fra le zone equatoriali e quelle polari; in uno stesso luogo, nelle differenti ore della giornata.
Le cause
variabilità della radiazione solare che genera un gradiente termico: i venti, al livello del suolo, si muovono dalle zone di alta pressione verso le zone di bassa pressione la formazione del vento si può spiegare con l’accelerazione subita dalla parte di atmosfera esposta alla radiazione solare, che è contemporanea al rallentamento della restante parte in ombra, e con il movimento di masse d’aria calda equatoriale che, salite verso le parti alte dell’atmosfera, si dirigono verso i poli richiamando altra aria dai tropici.
l’inclinazione dell’asse terrestre
il moto di rivoluzione attorno al Sole, che spostano stagionalmente le fasce di maggiore insolazione tra i due tropici
la disomogeneità della superficie terrestre caratterizzata da aree con differente capacità di assorbimento e cessione del calore (terre, mari, deserti, ghiacciai,...)
l’orografia dei suoli che modifica la direzione delle masse d’aria in movimento
la forza di Coriolis, dovuta alla rotazione terrestre e che agisce sulle masse in moto relativo rispetto alla Terra, e la variazione della velocità periferica dei punti della Terra a diversa latitudine provocano ulteriori deviazioni che determinano il caratteristico “moto a spirale”
Meccanismo di formazione del vento per differenze di pressione atmosferica Circolazione dei venti dovuta alle fasce di alta e di bassa pressione che si creano alle diverse latitudini terrestri
Andamenti della velocità del vento al variare della quota e della “rugosità” della superficie terrestre Orografia
+
Tipo di superficie Dissipazione di energia
Rugosità h è la quota generica, H è la quota a cui la velocità del vento risulta indisturbata, v e V sono le velocità del vento alle quote h e H, α è il coefficiente di rugosità del terreno,
Attrito A livello locale i fattori determinanti sono quelli di natura climatica, a cui sono legati l’intensità e la frequenza del vento, e quelli derivanti dall’orografia e dal tipo di superficie terrestre che può essere più o meno rugosa: si passa da superfici lisce quali ghiaccio, fango, neve, mare, a superfici molto rugose, quali le aree boschive ed urbane.
Alla rugosità è legata la forza d’attrito che il vento incontra a livello del suolo, in particolare nei primi 100 metri (che sono quelli d’interesse per lo sfruttamento attraverso macchine eoliche).
La corrente d’aria nel vincere tale forza dissipa energia, per cui si instaurano dei gradienti di velocità
Analisi anemometrica
L’energia eolica disponibile dipende da:
velocità del vento (al cubo)
sezione di passaggio (ovvero dal quadrato del diametro della turbina)
densità dell’aria dalla sua temperatura e dalla sua pressione Le difficoltà che si incontrano nel valutare l’energia disponibile (e di conseguenza quella producibile dalla turbina eolica, una volta che ne siano note le caratteristiche) sono legate alla aleatorietà della sorgente eolica, essendo il vento una grandezza fortemente dipendente dal tempo (con variazioni a livello stagionale, giornaliero ed istantaneo) e dal luogo, con differenze anche sostanziali in relazione alla distanza dal suolo ed alle caratteristiche orografiche del sito.
La velocità del vento
La velocità istantanea del vento u’(t) può essere scomposta in una componente responsabile del trasporto di massa u e in una componente legata ai moti turbolenti u*:
Poichè le componenti turbolente nelle tre direzioni spaziali sono per loro natura casuali, il loro valore medio tende ad annullarsi considerando un intervallo temporale sufficientemente elevato. Ai fini della valutazione delle potenzialità energetiche dei siti eolici, viene di solito utilizzata una velocità del vento mediata su intervalli di tempo dell’ordine di 10 minuti.
Per rilevare la velocità del vento si usa uno strumento detto ANEMOMETRO, solitamente del classico tipo a coppa, la cui velocità di rotazione è legata alla velocità del vento.
La variabilità nel tempo
Ai fini della produzione di energia elettrica con impianti eolici, la presenza di vento prevalentemente durante il giorno è un aspetto estremamente positivo, dato che anche i consumi di energia seguono tale distribuzione Le rilevazioni giornaliere evidenziano che, nella maggior parte dei luoghi, il vento ha una maggiore intensità durante il giorno rispetto alla notte; in particolare i maggiori valori si rilevano nelle prime ore del pomeriggio.
Le figure evidenziano la differenza di velocità del vento tra il giorno e la notte, nonché quella tra l’estate e l’inverno.
La variabilità con la quota
La presenza di ostacoli e di rugosità superficiali determina una progressiva diminuzione (strato limite) della velocità del vento rispetto alla velocità del flusso indisturbato.
L’andamento della velocità del vento u in funzione della quota z (profilo verticale di velocità, o wind shear) viene solitamente espresso attraverso relazioni del tipo: dove u1 è la velocità del vento misurata alla quota z1 (un valore tipico è 10 m) e α (wind shear exponent) è un parametro che dipende dalla classe di rugosità del suolo e dalle condizioni di stabilità dell’aria, ed è generalmente compreso tra 0,1 e 0,4
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