UNIVERSITA DEGLI STUDI DI UDINE
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Facolta di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Dipartimento di Energetica e Macchine
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Tesi di Laurea
PROGETTAZIONE DI UN PICCOLO AEROMOTORE
AD ASSE ORIZZONTALE
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-Relatore LaureandoProf. Gianmario L. Arnulfi Filippo Didonna
Anno Accademico 2009/10
Coraggio! Il meglio e passato!Ennio Flaiano
Ai miei genitori.
Alla mia ragazza Samantha.
Allâarma di Cavalleria dellâEsercito Italiano che ha reso possibili molte cose.
Sommario
Il presente elaborato riguarda la ri-progettazione del rotore di una macchina eolica destinata amuovere un generatore elettrico di piccola potenza.
Il lavoro, affrontato sia sotto lâaspetto analitico che sperimentale, e stato riassunto nellapresente relazione articolandolo in tre parti.
Nella prima parte, di carattere bibliografico, raccolta nel secondo e terzo capitolo, si rias-sumono i problemi generali che spingono alla ricerca di sistemi di utilizzazione delle energierinnovabili, i motivi per i quali lâenergia eolica sembra essere la piu promettente di questetecnologie ed i problemi generali da affrontare quando si vuole installare un generatore eolico.
Nella seconda parte (quarto capitolo) si entra nello specifico della progettazione di pale aprofilo aerodinamico utilizzando la teoria dei vortici di Glauert e, successivamente, si esegue laverifica del progetto e la predeterminazione delle curve caratteristiche del rotore finito.
Nella terza parte (quinto capitolo) si confrontano i dati delle prove sperimentali condottesulla macchina originale con i risultati ottenuti dalla predeterminazione delle sue caratteristichee con quelli relativi alla macchina ri-progettata.
ii Sommario
Indice
Sommario i
1 Introduzione 11.1 Premessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Obiettivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Metodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Il problema energetico 52.1 Lo sviluppo sostenibile e la gestione delle risorse naturali . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Risorse energetiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3 Energia alternativa ed energia rinnovabile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4 Energia eolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5 Impatto dello sfruttamento eolico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5.1 Impatto visivo, modifica del paesaggio e occupazione del territorio . . . . 112.5.2 Impatto acustico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.5.3 Effetti su flora e fauna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.5.4 Interferenze sulle telecomunicazioni ed effetti elettromagnetici . . . . . . 162.5.5 Emissioni evitate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5.6 Interferenze locali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Sistemi di conversione dellâenergia eolica 193.1 Variazioni periodiche della velocita del vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 Dipendenza dalla quota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.1.2 Effetti dei rilievi e scelta del sito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Energia disponibile dal vento e legge di Betz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3 Classificazione degli aerogeneratori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.4 Aerogeneratore ad asse verticale (VAWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4 Il modello ITDG IT-100 294.1 Descrizione tecnica e metodologia di progetto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2 Descrizione del generatore elettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3 Progetto dellâaeromotore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3.1 Determinazione del regime di funzionamento nominale . . . . . . . . . . . 324.3.2 Pale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4 Verifica e predeterminazione delle caratteristiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.5 Sistema di orientazione e di protezione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5 Confronto tra la macchina costruita e quella ri-progettata 55
Conclusioni 59
iv INDICE
Ringraziamenti 61
Bibliografia 63
Elenco delle tabelle
2.1 Stime di mortalita aviaria annua riferita al territorio degli Stati Uniti . . . . . . 15
4.1 Generatore con magneti in ferrite, prova con un carico di 105 W a diverse velocitadi rotazione Ï (η: rendimento elettrico complessivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 Generatore con magneti in NdFeB, prova con un carico di 105 W a diverse velocitadi rotazione Ï (η: rendimento elettrico complessivo) . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3 Risultati alla punta della pala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.4 Risultati su tutta la lunghezza della pala al variare della distanza dallâasse di
rotazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.5 Variazione dei parametri aerodinamici di un profilo NACA 4412, con lâangolo di
incidenza (Reynolds = 300 000) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.6 Prospetto dello svergolamento ideale della pala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.7 Prospetto dello svergolamento semplificato della pala . . . . . . . . . . . . . . . . 394.8 Foglio di calcolo per la predeterminazione delle caratteristiche di funzionamento
del rotore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.9 Relazione tra velocita del vento e potenza prodotta . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.10 Relazione tra velocita del vento e potenza prodotta con indicazione della resi-
stenza aerodinamica assiale e della tensione corrispondente . . . . . . . . . . . . . 48
5.1 Pale âPeru NACA4412â progettate da Teodoro Sanchez . . . . . . . . . . . . . . 555.2 Relazione tra velocita del vento e potenza prodotta, calcolata per la macchina
costruita in Peru, con indicazione della resistenza aerodinamica assiale e dellatensione corrispondente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
vi ELENCO DELLE TABELLE
Elenco delle figure
2.1 Previsione di sviluppo delle emissioni globali di CO2 per settore secondo lo sce-nario dellâ Energy [R]evolution (âEFFICIENZAâ: Riduzione di CO2 comparataallo scenario di riferimento) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Scala delle percezioni del rumore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1 Vista esplosa del generatore a magneti permanenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 Disposizione delle bobine nello statore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 Vista esterna del generatore, misure in mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 Triangolo di velocita alla punta della pala e forze di portanza e resistenza generateda un profilo aerodinamico (NACA4412) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.5 Grafici dei coefficienti di potenza di vari tipi di rotori al variare della velocitaadimensionale λ = u/v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.6 Layout del rotore con svergolamento ideale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.7 Layout del rotore con svergolamento semplificato . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.8 Pala del rotore con indicazione delle sezioni di calcolo, misure in mm, profiloaerodinamico base NACA 4412. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.9 Curve fr(λ) per la pala progettata, per diversi valori della distanza r della sezionedallâasse di rotazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.10 Curve mr(λ) per la pala progettata, per diversi valori della distanza r della sezionedallâasse di rotazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.11 Curve fr(r/R) per la pala progettata, dallâalto verso il basso per diversi valori delparametro λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.12 Curve mr(r/R) per la pala progettata, dallâalto verso il basso per diversi valoridel parametro λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.13 Variazione di Cf con λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.14 Variazione di Cm e di Cp con λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.15 Curve di potenza e di forza assiale sviluppata in funzione della velocita del vento 48
4.16 Particolare del sostegno del generatore elettrico con indicata la distanza dax tragli assi sghembi di rotazione del piano delle pale (orizzontale) e di rotazione delcomplesso della macchina (verticale), e lâangolo Ξ (misure in mm). . . . . . . . . 50
4.17 Vista laterale del generatore eolico completo con indicazione delle forze agenti. . 51
4.18 Vista dallâalto del generatore eolico completo con indicazione delle forze agenti. 51
4.19 Rappresentazione grafica della 4.26 che esprime la produzione elettrica in fun-zione della velocita del vento per la macchina progettata. . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 Confronto tra la curva di potenza teorica calcolata tramite la teoria di Glauertper lâaerogeneratore costruito in Peru, ed i dati sperimentali delle prove sul campo. 57
viii ELENCO DELLE FIGURE
5.2 Confronto tra il coefficiente di potenza Cp in funzione della velocita adimensionaleλ = u/v calcolato per la macchina progettata (linea continua) e quello calcolatoper la macchina costruita da ITDG-Peru (linea tratteggiata) . . . . . . . . . . . . 57
5.3 Confronto tra la curva di potenza calcolata per la macchina progettata (li-nea continua), quella calcolata per la macchina costruita da ITDG-Peru (lineatratteggiata) ed i dati sperimentali della prova sul campo della seconda . . . . . 58
Capitolo 1
Introduzione
1.1 Premessa
Lâenergia e legata a tutte le attivita umane ed allo stesso tempo, molti degli oggetti di cuici serviamo nel corso della vita hanno bisogno di energia per essere utilizzati e/o ne hannoavuto bisogno per essere prodotti; lâenergia ci permette di riscaldare le nostre case, come puredi illuminarle, ci permette di spostarci e di sfamarci, moltiplicando la capacita produttiva deiterreni. Nel corso della storia, lâuomo ha cercato di usarla in maniera sempre piu efficiente dalmomento che e proprio da essa che dipende il suo benessere materiale, ma e soprattutto neitempi moderni che, con lâaumento della popolazione mondiale, dallâuso efficiente dellâenergiaha cominciato a dipendere la stessa sussistenza del genere umano almeno per quanto competela differenza di popolazione tra il prima ed il dopo la rivoluzione industriale e soprattutto laârivoluzione del petrolioâ.
In altre parole, lâuomo e riuscito a migliorare costantemente la qualita della propria vita infunzione del continuo sviluppo dellâefficienza di sfruttamento delle fonti energetiche, passandodallâutilizzo del fuoco per arrivare a quello dellâuranio, e questo ha fatto sı che la popolazioneterrestre aumentasse ben oltre il livello di prima del XIX secolo.
Proprio a causa di cio, questo modello di sviluppo, basato sullo sfruttamento di materialie delle fonti energetiche non rinnovabili, sta portando alla luce le sue grandi contraddizioni.Gli effetti prodotti dalle attivita umane sullâecosistema del nostro pianeta sono ormai evidentinei cambiamenti climatici in atto. Lâutilizzo su larga scala di combustibili fossili, come prima-ria fonte di energia, causa lâemissione nellâatmosfera di grandi quantita di anidride carbonica,considerata da molti la principale causa dellâeffetto serra. Da tutto questo e dalla limitatezzadelle riserve stimate di combustibili fossili, nasce la necessita di individuare e sfruttare fonti dienergia alternative, come le rinnovabili.
Questa opzione e giustificata, sul piano quantitativo dalla sovrabbondanza del potenzialeenergetico sfruttabile, su quello qualitativo, dalla compatibilita ambientale del ciclo di sfrutta-mento dellâenergia rinnovabile o, meglio, di produzione di exergia da fonti energetiche rinnova-bili. Inoltre lâutilizzo di fonti energetiche rinnovabili permette di dare un accenno di rispostaalla problematica della diversificazione delle fonti energetiche: la totale dipendenza dal petro-lio, infatti, porta, in corrispondenza di crisi economiche mondiali, ad aumenti incontrollati delprezzo dellâenergia con grosse ripercussioni sullâeconomia dei paesi.
Naturalmente ogni innovazione scientifica presenta, allâinizio, dei problemi quali, ad esempio,la difficile prevedibilita della disponibilita di potenza, che si ripercuote sullâincognita del tempodi recupero dellâinvestimento, dato che e molto difficile che un impianto al energia rinnovabilefunzioni per 8 766 ore annue. Ma nuove soluzioni tecnologiche hanno permesso una notevoleriduzione dei costi, favorendo la diffusione di questo tipo di impianti, che occupano una porzione
2 Introduzione
sempre piu grande nel bilancio elettrico di diversi Paesi, per la verita, quasi esclusivamenteeuropei.
Non va pero dimenticato che, in alcuni casi, la possibilita di sfruttare le risorse naturaliper la produzione di energia elettrica puo migliorare la qualita del servizio fornito agli utenti:pensando infatti al caso di utenze lontane dalla rete elettrica di distribuzione e con difficoltadi approvvigionamento di materie prime, lâutilizzo di generatori a propulsione rinnovabile puoportare dei benefici per quanto riguarda la disponibilita energetica. Inoltre la generazionedistribuita, che si sta diffondendo negli ultimi tempi, consente di sopperire alla bassa densitadi energia per unita di superficie che caratterizza queste fonti, ed in particolare la risorsa eolicae quella solare.
Ed e proprio in questo ambito che si inserisce il presente lavoro.
1.2 Obiettivo
Il presente lavoro, si propone di ri-progettare le pale da accoppiare ad un generatore elettricoadatto per applicazioni mirate alla cooperazione internazionale per le ONG che si prefiggono larealizzazione di progetti basati sullâelettrificazione rurale di aree disagiate.
Nello specifico, partendo da un generatore elettrico espressamente pensato per la costruzio-ne in loco, a basso costo, in aree rurali del Peru come da Piggot [1], ci si e proposto lo studio,dal punto di vista aerodinamico, dello svergolamento ottimale per le pale da accoppiarvi, te-nendo conto, sia delle caratteristiche aerodinamiche desiderate, che della facilita di costruzione,tutto questo, pero tenendo ferma la scelta del profilo âNACA 4412â, fatta originariamente inSanchez et al.[2], per motivi di resistenza meccanica alle sollecitazioni, dato che ogni singolapala andra costruita a partire da due gusci di vetroresina modellati in due stampi e fatti saldaredurante la polimerizzazione, in modo da formare una cavita allâinterno del manufatto.
Si tratta, naturalmente, di un processo di costruzione molto semplificato, ad esempio sarebbemolto meglio preparare la pala sempre in vetroresina, ma partendo da un nucleo di spuma dipoliuretano modellato allâinterno di uno stampo progettato per tener conto di uno strato divetroresina che sia il piu sottile possibile, dato che, come si vedra la maggior parte degli sforziche subisce la pala di un generatore eolico durante il normale esercizio, e costituita da forze ditipo inerziale (proporzionali al peso della pala stessa).
Ancora meglio, prefiggendosi un processo di modellazione come quello appena descritto, sipotrebbe valutare se scegliere un profilo aerodinamico piu sottile e che opponga meno resistenzaal moto, ma che abbia le stesse caratteristiche di resistenza meccanica alle sollecitazioni, in virtudella riduzione di peso.
Non si e entrati nel merito di queste scelte, ma non e escluso che un successivo lavoro possavertere proprio sul perfezionamento strutturale e tecnologico delle pale, oltre che del genera-tore elettrico, cio nonostante si sono ottenuti risultati significativi anche solo riprogettando losvergolamento della pala.
1.3 Metodo
Si premette che il generatore eolico a magneti permanenti ha una caratteristica molto partico-lare: e una macchina generalmente di piccola potenza (anche se si ha notizia di aerogeneratoridi potenza medio-alta di fabbricazione francese dotati di giganteschi generatori elettrici a ma-gneti permanenti), per cui soggetta ad un interesse per lo piu di nicchia, il calcolo della suacurva caratteristica risulta essere complicato dal fatto che la sua velocita di rotazione non epredeterminata dalla connessione alla una rete elettrica. In questo risulta essere simile solo adun altro tipo di macchina realizzato in precedenza: il rotore di portanza dellâautogiro.
1.3 Metodo 3
Ad onor del vero anche i grossi aerogeneratori connessi alla rete di distribuzione elettrica,non hanno una velocita di rotazione rigorosamente costante, in quanto, per lo standard daneseche si e andato diffondendo sempre piu per la facilita di regolazione, essi sono dotati di generatoriasincroni, i quali hanno si una velocita di sincronismo determinata dal tipo di rete alla qualesono connessi, ma generano potenza elettrica attiva solo se spinti di poco al di sopra di questavelocita di rotazione, eliminando la necessita di regolare la sincronizzazione con la rete e conlâunico onere di rifasare la potenza elettrica prodotta. Ma, ad ogni modo, la velocita di rotazionedi queste macchine varia entro dei limiti abbastanza ristretti.
Cosı non e invece per la macchina eolica accoppiata ad un generatore a magneti permanenti,la cui velocita di rotazione e funzione della velocita del vento e del momento frenante dovuto alfunzionamento sotto carico del generatore elettrico. Percio ci si e avvalsi, per la determinazionedelle curve caratteristiche della macchina, di studi di aerodinamica del rotore, ed in particolaredella teoria di Glauert, ottimamente spiegata in Le Gourieres [3].
Si e cosı arrivati alla curva di potenza della macchina eolica e la si e confrontata con i datidelle prove sul campo della macchina costruita in Peru ad opera del gruppo ITDG e descrittain Sanchez-Chiroque [4] e Sanchez et al.[5].
4 Introduzione
Capitolo 2
Il problema energetico
2.1 Lo sviluppo sostenibile e la gestione delle risorse na-turali
Per comprendere meglio la grave situazione attuale ed i problemi relativi alla necessita diaumentare la produzione dâenergia come le fonti rinnovabili, e necessario esaminare, a grandilinee, il problema della gestione delle risorse naturali. Attualmente, la crescita dei consumienergetici mondiali, la prospettiva di esaurimento del petrolio e le conseguenti emissioni di gasserra che stanno alla base della variazione del clima globale causata dallâimpiego dei combustibilifossili (carbone, petrolio e gas naturale) pongono il tema della ricerca di nuove fonti di energiapulita e abbondante.
Il problema della gestione delle risorse naturali fu unâesigenza che si manifesto, in manieraforte, gia nel corso del diciannovesimo secolo. In quellâepoca, si comprese lâimportanza diesaminare il rapporto dellâaumento demografico con la possibilita di gestire le risorse naturaliin modo da poter soddisfare lâintera popolazione mondiale. Il problema fu sentito in manieracosı intensa che, in questo contesto, si sviluppo la teoria di Thomas Robert Malthus, un pastoreanglicano, che scrisse un saggio sul principio di popolazione.
Analizzando i diversi periodi storici, allâepoca della Rivoluzione Francese, vi fu una crescentenecessita di cibo e lavoro, a causa di una rilevante crescita demografica.
Dal 1650, in cui la popolazione in Europa contava circa 100 milioni di persone, si passo al1800, in cui il numero delle persone era pressoche raddoppiato. La vertiginosa crescita demogra-fica aveva messo in difficolta in particolar modo lâEuropa, perche la popolazione cresceva moltopiu rapidamente rispetto alle risorse naturali disponibili. Ogni venticinque anni la popolazioneraddoppiava, mentre le risorse crescevano in modo molto meno rapido. Gia allâepoca si capıche le risorse sarebbero mancate, perche insufficienti alle esigenze della popolazione. Si ebbe lasensazione che anche il cibo non sarebbe stato sufficiente per soddisfare tutto il genere umano.
Malthus, nel 1798, pubblico âAn Essay of the principle of the population as it affects thefuture improvement of societyâ (Saggio sul principio della popolazione)1, in cui sostenne che lacrescita demografica non e ricchezza per una nazione. Le classi lavoratrici tendono a reagire aun miglioramento del tenore di vita e, quindi, vi e un aumento della procreazione.
In egual modo, il rendimento dei terreni tende a decrescere con la messa a coltura di terrenon adatte alla coltivazione. Malthus riteneva che per contrastare la miseria fossero efficaci soloi âfreni preventiviâ (come il posticipo dellâeta matrimoniale e la castita prematrimoniale) e iâfreni repressiviâ (come le guerre e le carestie).
1La prima edizione dellâopera fu pubblicata in forma anonima. Furono pubblicate altre 5 edizioni tra il 1803e il 1826, in cui lâopera fu ampliata e ripubblicata con il nome dellâAutore.
6 Il problema energetico
Di diversa posizione si dimostro Ralph Waldo Emerson, uno dei piu grandi esponenti del pen-siero americano, che, nel criticare il malthusianesimo, osservava che esso non poneva attenzionealla capacita inventiva e tecnologica dellâuomo2.
In effetti, pur essendo la teoria malthusiana corretta e ancora valida, analizzava il problemasenza tener conto di molte variabili, e allâepoca di Malthus la tecnologia salvo dal tracollo ilgenere umano.
Tuttavia, non si comprese che anche la capacita inventiva dellâuomo puo non avere alcunaincidenza positiva, se non viene diretta ad anticipare e prevenire le conseguenze catastrofichedello smisurato consumo da parte dellâuomo e dellâaumento demografico.
Il verificarsi di questa situazione catastrofica venne impedita, in primo luogo, dallâemigra-zione, perche la conquista di nuove aree del pianeta porto a decongestionare lâInghilterra. Poiva ricordata la rivoluzione agricola, che consentı di produrre piu abbondantemente, e dalla ri-voluzione industriale, che porto alla sostituzione dellâuomo con le macchine. Grazie a questescoperte, il prodotto nazionale inglese riuscı ad aumentare di 14 volte, scongiurando il tracollodemografico.
A questo proposito, non bisogna dimenticare che la scoperta delle macchine a vapore, resedisponibile molta forza lavoro a basso costo che, in ultima analisi, permise lâabolizione dellaschiavitu legalizzata nei paesi a forte sviluppo demografico 3, dapprima in Inghilterra nel 1807,con conseguenti battaglie diplomatiche e non nei confronti di Francia, Spagna, Paesi Bassi ePortogallo, successivamente sancita, con risonanza mondiale, negli Stati Uniti dâAmerica conla vittoria dellââUnioneâ sulla âConfederazioneâ nella guerra di secessione del 1861-65.
Attualmente lâutilizzo delle macchine, e stato integrato dallâutilizzo dellâenergia elettricacome vettore energetico, che, rendendo possibile un trasferimento su lunghe distanze di energiameccanica a basso costo, e diventata indispensabile per la vita quotidiana.
Lâenergia elettrica e adesso prodotta a partire da carbone, gas naturale, derivati del petrolio,fissione nucleare, sistemi idroelettrici e altro. Tuttavia, permangono gli stessi problemi dellâe-poca di Malthus, come la crescita veloce della popolazione con conseguente sovrappopolazione elâaumento dei consumi. Al crescere delle esigenze pro-capite, vi e, in proporzione, una riduzioneimprovvisa delle risorse di combustibili fossili, che sono attualmente gli elementi primari persoddisfare questa mole di bisogni.
I governi ora devono comprendere che solo con una pianificazione razionale, in grado dianticipare e prevenire una parabola discendente, il tracollo potra essere evitato. Solo conlâimmediato ricorso alle risorse naturali inesauribili e con il controllo dei consumi si puo evitare ilcollasso della civilta, preservando, al contempo, lâecosistema terrestre e la disponibilita di risorse(a cui risulta essere intimamente collegata la civilta stessa). Infatti benche il punto di vista esoprattutto le conclusioni di Malthus, risultino antiquati ed a tratti ridicoli, tuttora (assieme abuona parte della storia del XX secolo) danno una misura dei baratri di pensiero che e in gradodi raggiungere la mente umana quando la ragione non e in grado (anche temporaneamente) didare le risposte giuste.
Da questo punto di vista, solo le fonti rinnovabili ed il contenimento dei consumi, possonodare un rilevante contributo nel disegnare un nuovo percorso energetico ambientale sostenibile.
2Secondo Ralph Waldo Emerson, Malthus affermando che le bocche da sfamare si moltiplicano geometrica-mente e il cibo aritmeticamente, dimentico che la mente umana era un importante fattore nellâeconomia politica,e che i crescenti bisogni dellâuomo sarebbero stati soddisfatti da un crescente potere dâinvenzione
3Correttamente, il primo paese a proibire la tratta degli schiavi fu la Repubblica Serenissima di Venezia nel960 d.C., con la promissione del XXII Doge Pietro IV Candiano, ma in quellâepoca non si notava un accen-tuato sviluppo demografico come nel XIX secolo, per cui le cause che hanno permesso questâazione legiferanteumanitaria vanno ricercate in altre esigenze dellâepoca.
2.2 Risorse energetiche 7
2.2 Risorse energetiche
Nel 1956 il geofisico americano Martin King Hubbert4 formulo la sua teoria riguardante lâevo-luzione temporale di una qualsiasi risorsa minerale e fonte fossile esauribile. La teoria permettedi prevedere la data di sfruttamento massimo della risorsa.
Il punto di produzione massima oltre il quale la produzione puo soltanto diminuire, vienedetto âpicco di Hubbertâ. Secondo numerosi studiosi, lo sfruttamento del petrolio e talmenteaumentato che sta superando âil picco di Hubbertâ. Sarebbe a dire che il petrolio, la fonte ener-getica che attualmente ha il piu basso coefficiente inquinamentoâ costo
disponibilita, sta rapidamente aumentando
il suo costo di estrazione mentre diminuisce la sua disponibilta.
Secondo le attuali ipotesi sullâincremento della popolazione, nel 2050 saremo, nella peggioredelle ipotesi, 9,4 miliardi; i piu catastrofici prevedono 14,5 miliardi. Dellâintera popolazionemondiale gli Stati Uniti rappresentano solo il 4,5% della popolazione mondiale, pero da soliconsumano il 25% della produzione annua di petrolio dellâintero pianeta. Non utilizzando asufficienza fonti rinnovabili, si prevede il rischio dellâesaurimento delle fonti attuali. Il futuro eancora piu nefasto se si considerano le previsioni dâaumento della popolazione.
Anche se le fonti fossero infinite, lâincremento demografico sarebbe, in ogni caso deleterioper lâinquinamento: le attuali fonti dâenergia, oltre a non essere rinnovabili, producono ancheâeffetto serraâ e, di conseguenza, aumento del riscaldamento globale.
Greenpeace ha elaborato il rapporto Energy [R]evolution [6]5 per dimostrare che dimezzarele emissioni di CO2 entro il 2050 e possibile. Attualmente, lâuomo immette in atmosfera 23miliardi di tonnellate di CO2 lâanno. Tali emissioni sono destinate a raddoppiare entro il 2050,superando quota 45 miliardi di tonnellate lâanno. Secondo Energy [R]evolution [6], e possibiledimezzarle, arrestandosi a 11,5 miliardi di tonnellate, attraverso il ricorso adeguato alle fontidi energia rinnovabili.
Per arrestare il cambiamento climatico e contenere il riscaldamento globale sotto la sogliadei 2 °C, soglia oltre la quale, secondo alcuni, il processo diventerebbe irreversibile, occorreabbattere le emissioni di CO2 del 30% entro il 2020 e di almeno il 50% entro il 2050.
Milioni di tonnellate
50 000
45 000
40 000
35 000
30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5 000
0
"EFFICIENZA"
TRASPORTI
ALTRI SETTORI
INDUSTRIA
RETE ELETTRICA E COGENERAZIONE
2003 2010 2020 2030 2040 2050
Figura 2.1: Previsione di sviluppo delle emissioni globali di CO2 per settore secondo lo scena-rio dellâ Energy [R]evolution (âEFFICIENZAâ: Riduzione di CO2 comparata allo scenario diriferimento)
4Hubbert, geofisico presso i laboratori di ricerca della compagnia petrolifera Shell Oil Company, osservolâevoluzione della produzione di carbone in Pennsylvania ed elaboro una trattazione matematica generalizzataper dimostrare lâandamento della produzione di qualsiasi giacimento di fonte fossile (curva di Hubbert).
5Energy [R]evolution: a sustainable World Energy Outlook , lanciato nel gennaio 2007 in tutto il mondo daGreenpeace, e sviluppato insieme a EREC â European Renewable Energy Council, e il primo rapporto finalizzatoa fornire una strategia globale e dettagliata su come ristrutturare il sistema energetico mondiale, consentendoun taglio delle emissioni globali di CO2 di quasi il 50 per cento entro i prossimi 43 anni.
8 Il problema energetico
Il grafico in figura 2.1, tratto da Energy [R]evolution [6], mostra lâandamento delle emissionidi CO2 a livello mondiale fino al 2050 secondo lo scenario Energy [R]evolution. Esso riflette lasperanza secondo cui, tramite lâefficienza energetica sarebbe possibile risparmiare il 74% delleemissioni di gas serra, equivalente a circa 34 miliardi di tonnellate lâanno.
Le previsioni si basano, non solo sulle potenzialita di sviluppo a livello mondiale delle tecnolo-gie rinnovabili, ma anche su quanto formulato nel rapporto âEnergy [R]evolution: a sustainableWorld Energy Outlookâ , che prende in considerazione tre fattori fondamentali:
ïżœ Sviluppo della popolazione (il numero di persone che consumano energia) â secondo leproiezioni delle Nazioni Unite si stima che la popolazione del pianeta passera da 6,3 a 8,9miliardi di persone;
ïżœ Crescita economica (di cui il Prodotto Interno Lordo e lâindicatore piu usato. In ge-nere un incremento di PIL provoca un aumento di domanda energetica) â le proiezionidellâInternational Energy Agency â IEA â stimano che il PIL mondiale crescera del 3,7%fino al 2010, e del 2,7% dal 2010 in poi;
ïżœ Intensita energetica (quanta energia e richiesta per produrre una unita di PIL) â le pro-iezioni dellâIEA stimano che lâintensita energetica decrescera a un tasso medio annuo del1,3% fino al 2050. Questo dovrebbe portare ad una riduzione naturale del 45%.
Lo scenario proposto da Greenpeace si basa su cinque ipotesi iniziali:
ïżœ eliminazione di tutti gli incentivi alle fonti fossili e al nucleare;
ïżœ definizione di obiettivi vincolanti per lo sviluppo delle fonti rinnovabili;
ïżœ definizione di meccanismi dâincentivazione per le energie rinnovabili, tali da renderle sicureper gli investitori;
ïżœ priorita dâaccesso alla rete elettrica per gli impianti rinnovabili;
ïżœ definizione di rigidi standard che garantiscono la produzione di elettrodomestici, apparec-chiature e macchinari molto efficienti.
Obiettivo di Greenpeace e di questo rapporto e che entro il 2050 circa il 75% dellâelettricitapotrebbe essere prodotta da fonti rinnovabili (idroelettrico, eolico e solare), mentre nel settoredella fornitura di calore il contributo delle rinnovabili (biomasse, collettori solari e geotermico)potrebbe crescere fino al 65%. Sara cosı possibile ridurre le emissioni di gas serra del 50%, perscongiurare la minaccia dei cambiamenti climatici.
2.3 Energia alternativa ed energia rinnovabile
Spesso si confonde lâenergia âalternativaâ con quella ârinnovabileâ. Tuttavia, non tutte le fontidâenergia âalternativeâ sono ârinnovabiliâ.
Per fonte di energia alternativa sâintende qualunque fonte di produzione dâenergia che nonavviene mediante lâutilizzo di combustibile fossile.
Non esiste, invece, una definizione univoca delle fonti rinnovabili per le diverse opinioni chevi sono sullâinclusione o meno di una o piu fonti nel gruppo delle rinnovabili. Secondo il D.L.16 marzo 1999, n. 79 sono considerate ârinnovabiliâ:
ïżœ il sole
ïżœ il vento
2.3 Energia alternativa ed energia rinnovabile 9
ïżœ le risorse idriche
ïżœ le risorse geotermiche
ïżœ le maree
ïżœ il moto ondoso
ïżœ la produzione di energia elettrica da prodotti vegetali o rifiuti organici e inorganici.
Il vigente Decreto Legislativo 29 dicembre 2003, n. 387, propone, invece, la seguentecatalogazione per le fonti energetiche rinnovabili non fossili o fonti rinnovabili:
- eolica
- solare
- geotermica
- del moto ondoso
- maremotrice6
- idraulica
- biomasse â la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dallâagricoltura(comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse,noncheâ la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani
- gas di discarica
- gas residuati dai processi di depurazione
- biogas
Non sono considerate quindi rinnovabili le fonti di energia nucleare, pur essendo fonti âalter-nativeâ rispetto a quelle fossili, in quanto il loro utilizzo dipende da riserve limitate di materialiche non si rigenerano alla stessa velocita con cui vengono consumate e pone seri problemi disicurezza e smaltimento dei prodotti di scarto.
A volte non e considerata ârinnovabileâ lâenergia geotermica, ossia lâenergia elettrica prove-niente dallo sfruttamento del calore del suolo (in particolare delle rocce presenti nella profonditadella terra), mentre nellâambito dei movimenti ambientalisti, spesso e scartata lâenergia prodottadai rifiuti solidi urbani.
Le fonti rinnovabili sono importantissime perche sono inesauribili e contribuiscono a tenerepulito il pianeta, ma non tutte le fonti rinnovabili sono prive dâinquinamento. Nel caso diproduzione di energia da biomasse, per esempio, lâemissione di CO2 non e evitabile (anchese, mettendo nel bilancio lâassorbimento di CO2 durante la crescita delle biomasse stesse, ilrisultato sarebbe nullo), ma ancora piu problematica e lâemissione di NOX e di PM10.
La produzione di energia attraverso il sole e, invece, completamente pulita, ma presentaproblemi di occupazione del suolo.
Se si vogliono produrre 3 kW con un impianto fotovoltaico, ci vogliono 30 mq e una spesadi circa 19 500 €.
Inoltre, questi 3 kW si riescono a produrre nelle migliori condizioni e, quindi, non si produ-cono di notte o quando vi sono nuvole. Quindi per avere una produzione media di 3 kW occorreavere un impianto di maggiori dimensioni.
6[sic]
10 Il problema energetico
Tuttavia il futuro e delle energie rinnovabili: in particolare quelle totalmente pulite, comelâeolico e il solare, che possono fare da apripista per una nuova era di crescita economica edoccupazionale, dâinnovazione tecnologica e tutela dellâambiente. La tecnologia migliorando gliimpianti permettera alla produzione di aumentare con minore impatto ambientale e minor costo.
LâItalia e, tuttavia, rispetto agli altri paesi europei, in ritardo nel campo delle energierinnovabili in generale e dellâeolico in modo particolare, per le resistenze ancor oggi presentia causa della mancata coscienza del pericolo ambientale da parte di alcuni enti preposti allavalutazione ed approvazione degli impianti.
2.4 Energia eolica
La fonte eolica e dovuta al riscaldamento non uniforme da parte del sole della superficie ter-restre. Nella sua rotazione intorno al sole, a causa dellâasse inclinato, esistono vaste zone delpianeta che sono maggiormente irraggiate rispetto ad altre, generando condizioni di differenzadi temperatura tali da permettere lo spostamento di grandi masse dâaria. Le zone maggiormen-te irraggiate agiscono da fonte calda, mentre quelle meno irraggiate operano da fonte fredda.Generando una sorta di gigantesco motore globale, che da origine allo spostamento di grandimasse dâaria nellâatmosfera terrestre.
Soltanto il 2% dellâenergia solare che raggiunge la Terra si trasforma in energia eolica.Questa, se pur modesta percentuale rappresenta oltre 100 volte il totale degli attuali consumienergetici mondiali. Lâuomo sfrutta soltanto una piccola frazione dellâenergia eolica contenutanei primi 120 metri dâatmosfera e con venti di velocita in genere compresa tra i 4 ed i 30metri/secondo.
Da almeno 4000 anni lâuomo ha imparato ad usare in modo vantaggioso lâenergia dei venti:dapprima per la navigazione, poi per lâirrigazione e la lavorazione di prodotti agricoli.
Negli Stati Uniti, nellâambito del Rural Electrification Program degli anni Trenta del Nove-cento, si diffuse lâuso di piccoli aerogeneratori per la produzione di energia elettrica.
In Italia, a partire dagli anni Trenta fino alla fine degli anni Cinquanta, sono state installatemacchine eoliche per il sollevamento dellâacqua.
Negli anni Settanta fu avviata la tecnologia eolica per la produzione di energia elettrica,quando il primo shock petrolifero spinse la ricerca sulle nuove fonti rinnovabili.
Attualmente, quella eolica e una tecnologia da considerare matura; solo in Italia, a fine 2005sono stati installati oltre 1 700 MW dâimpianti eolici.
Le macchine eoliche per la produzione elettrica (aerogeneratori) possono essere classificatein due grandi famiglie:
ïżœ ad asse orizzontale, quando lâasse del rotore e parallelo alla direzione del vento e le paleruotano perpendicolarmente ad esso.
ïżœ ad asse verticale, quando il rotore e perpendicolare alla direzione del vento.
Le macchine ad asse verticale sono adatte a sfruttare venti di direzione variabile e richiedonosistemi di controllo meno complessi.
Gli aerogeneratori ad asse orizzontale richiedono piu complicati sistemi di controllo dellatensione, della frequenza e dellâimbardata, ma presentano il vantaggio di un maggior rendimentoaerodinamico. Per questo motivo, tutte le moderne macchine eoliche sono di questo tipo.
Gli aerogeneratori sono macchine realizzate con materiali compositi, idonei a resistere asollecitazioni, che, nelle macchine piu grandi, sono confrontabili a quelle delle ali di aeropla-ni. Nessun aerogeneratore resisterebbe a tali sollecitazioni, se non fosse munito di complessidispositivi automatici di frenatura e di messa in sicurezza delle pale.
2.5 Impatto dello sfruttamento eolico 11
Gli aerogeneratori hanno generalmente una, due o tre pale. I rotori tripala sono quelli con lemigliori caratteristiche complessive di resa energetica, bassa rumorosita e solidita. La maggiorparte degli aerogeneratori installati nel mondo negli ultimi anni sono del tipo a tre pale.
Le dimensioni variano molto in funzione della potenza. I modelli fino ad oggi piu diffusi diaerogeneratori installati in Italia, detti di âtaglia mediaâ, hanno il rotore posto a circa 50 metridâaltezza, con pale lunghe circa 25 metri e sono in grado di erogare una potenza di circa 800kW.
Un aerogeneratore di âgrande tagliaâ, ad esempio da 1 500 kW, e alto circa 80 metri sinoal mozzo, con diametro del rotore di circa 70 metri. Attualmente si stanno realizzando aeroge-neratori piu grandi (da 2-3 MW sulla terraferma e 3-4 MW in mare), che compensano le lorodimensioni con una minore velocita di rotazione e quindi con minor impatto ambientale.
E stata pubblicata recentemente la notizia che una societa tedesca ha prodotto lâaerogene-ratore piu grande al mondo, con pale lunghe 126 metri e in grado di produrre 7 MW, ossia 20milioni di kWh lâanno, sufficiente per coprire il fabbisogno di 5000 famiglie in Europa.
Questo aerogeneratore e stato realizzato con un design modulare e materiali piu leggeri, chediminuendo la resistenza dellâaria, aumentano il rendimento. Inoltre, questo tipo di aerogenera-tore ha minori impatti, in particolar modo per lâavifauna, e grazie a questa tecnologia risultanopiu facili il trasporto e lâinstallazione dello stesso aerogeneratore.
Piu aerogeneratori collegati insieme formano una centrale eolica. Nelle centrali eoliche ladistanza fra gli aerogeneratori non e casuale, ma calcolata per evitare interferenze reciproche chepotrebbe causare cadute di produzione e generazione di turbolenze in grado di danneggiare gliaerogeneratori stessi. I fattori che determinano la distanza fra gli aerogeneratori dipendono dallecaratteristiche sia anemologiche che orografiche del sito ritenuto interessante per lâinstallazionedi una macchina.
2.5 Impatto dello sfruttamento eolico
Le moderne macchine eoliche sono macchine di grandi dimensioni in grado di generare discretequantita di elettricita da una fonte di energia a bassa densita di potenza ma rinnovabile e privadi inquinamento.
La turbina eolica tipo, come gia detto nei capitoli precedenti, e una macchina che ha unatorre che va dai 50 agli 80 metri ed un rotore di dimensioni quasi analoghe.
Volendo produrre una quantita significativa di energia, sara necessario installare un discretonumero di aerogeneratori ed interessare una ampia superficie di territorio.
Questo determina la modifica di una serie di fattori ambientali, rendendo necessaria lâanalisidi tutti quei problemi derivanti dallâinserimento della centrale eolica in un determinato sito. Inogni caso, i possibili effetti indesiderati degli impianti hanno luogo solo su scala locale e sono:
ïżœ lâimpatto visivo, la modifica del paesaggio e lâoccupazione del territorio;
ïżœ la compatibilita con la destinazione urbanistica del territorio;
ïżœ lâimpatto acustico;
ïżœ i disturbi elettromagnetici;
ïżœ gli effetti su flora, fauna ed in particolare avifauna.
2.5.1 Impatto visivo, modifica del paesaggio e occupazione del terri-torio
Lâimpatto visivo e territoriale e lâimpatto piu evidente delle installazioni eoliche, oltre ad essereuna delle problematiche piu attuali e che riscuote maggiore preoccupazione.
12 Il problema energetico
Gli impianti eolici non possono essere nascosti e devono essere collocati in siti ad elevataventosita.
In Italia, ad esempio, le collocazioni in programma, nel breve periodo, avverranno prevalen-temente in zone interne dellâAppennino e del sub-Appennino delle regioni centro meridionali,nonche in quelle insulari; sono tutte aree in cui lâinteresse naturalistico e paesaggistico deveconciliarsi con le necessita di sviluppo delle comunita locali.
Capita spesso poi che in tali zone interne sia presente un deficit di produzione di energiaelettrica, il che da unâulteriore spinta verso lo sviluppo di tale fonte.
In ogni caso, lâalterazione paesaggistica e dovuta alle turbine e alle torri di sostegno, allestrade e piazzole di manovra e allâelettrodotto di connessione con la rete.
Nel caso di aerogeneratori posti su crinali montani, lâimpatto visivo e notevole ed e necessariocostruire gli impianti minimizzandone lâeffetto.
Alcuni accorgimenti utili per armonizzare gli aerogeneratori consistono nellâutilizzare coloritenui (tranne per le macchine pericolose per il volo a bassa quota, per le quali si usano colorazionia strisce bianche e rosse, che ne determinino la presenza di giorno, e sono dotate di luci fisse diposizione per renderle visibili di notte).
Una pianificazione territoriale attenta privilegera lâuniformita nella scelta dei sostegni, evi-tando, in uno stesso impianto eolico, di inserire sostegni tubolari e a traliccio.
Nel caso invece di centrale ad alta densita di macchine installate in zone pianeggianti, ilcorretto inserimento nel paesaggio dal punto di vista strettamente visivo e piu facile perchelâimpianto non domina unâintera vallata ma e inserito allâinterno di una piana con vegetazionepiu o meno ricca che ne mitiga lâimpatto visivo almeno finche non si e in prossimita degliaerogeneratori.
Lo studio per la determinazione del sito piu consono in cui installare una centrale eolicain modo da minimizzare il piu possibile gli effetti indesiderati sul paesaggio, non si discosta dimolto dalle metodologie usate per determinare lâimpatto ambientale di insediamenti produttivigia esistenti o in fase di progetto.
In questo caso sâimposta un confronto tra lâimpatto sul territorio originato da un complessoeolico e lâeventuale impatto di un impianto che sfrutti una fonte di energia differente.
Lâanalisi delle variazioni del paesaggio parte dalla definizione di una grandezza detta âemer-genza visivaâ.
Questa permette di valutare la variazione locale dellâaltezza media degli oggetti visibili,dal punto di stazione sul giro dâorizzonte di 360° compiuto in ciascuna delle direzioni dei 4settori cardinali e comprendenti lâimpianto in progetto; il tutto tenendo presente gli sfondi,lâilluminazione e le condizioni meteorologiche prevalenti.
Il punto di stazione coincide con un luogo scenicamente, naturalisticamente o socialmenteimportante dal punto di vista dellâinteresse da salvaguardare.
In questo modo e possibile valutare le modifiche tridimensionali provocate al paesaggiodallâinserimento di una centrale eolica cosı da minimizzarne lâimpatto con opportune misureche non deteriorino la funzionalita dellâimpianto ma ne migliorino la sostenibilita paesaggistica.
Lâimpatto territoriale da emissioni acustiche, chimiche ed occupazione territoriale combina-te, invece, e notevolmente minore rispetto a quello di altre fonti di energia rinnovabile e non.Gli aerogeneratori e le opere a supporto (cabine elettriche, strade) occupano solamente il 2 -3 % del territorio necessario per la costruzione dellâimpianto stesso. Per cui nei parchi eolici,differentemente dalle centrali elettriche convenzionali e dalle grandi installazioni fotovoltaiche,la parte del territorio non occupata dalle macchine puo essere impiegata per lâagricoltura e lapastorizia senza grosse riduzioni di produttivita rispetto al territorio non occupato.
2.5 Impatto dello sfruttamento eolico 13
Esempi negativi di impatto ambientale/visivo
Da diversi studi sulla valutazione dellâimpatto visivo degli impianti eolici si deduce che la mag-giore influenza sul paesaggio e dovuta in primo luogo al numero delle pale degli aerogeneratorie successivamente alle dimensioni delle macchine (altezza del traliccio e diametro del rotore).
Alcune raccomandazioni generali possono riguardare restrizioni sulla localizzazione, sul rag-gruppamento di turbine di forma simile, sullâinterposizione di aree libere tra gruppi di turbineed infine sulla realizzazione di forme particolari in aree con paesaggi dai caratteri fortementeconnotati.
Lâeffetto âselvaâ, tipico di installazioni nordamericane, modifica la linea dellâorizzonte ren-dendo maggiormente avvertibile la presenza degli impianti.
Esempi positivi di impatto ambientale/visivo
Lâobiettivo e cercare di realizzare impianti che sappiano interagire con il territorio in modo davalorizzarlo, innovandolo e rispettandolo allo stesso tempo.
La riduzione dellâimpatto visivo ha a disposizione alcuni strumenti da sfruttare in faseprogettuale come forme, distanze, colori. Tuttavia le prescrizioni in tale ambito devono goderedi particolare elasticita.
In Italia il problema dellâimpatto visivo degli impianti eolici viene affrontato da ogni singolaregione mediante le âLinee Guida Regionaliâ.
Esse introducono misure di mitigazione dellâimpatto paesaggistico quali la disposizione pla-nimetrica e altimetrica degli aerogeneratori, il colore e la tipologia, le dimensioni e la densitadelle macchine, la velocita di rotazione della pale, le distanze (tra le macchine, dalle vie dicomunicazione e dai centri abitati), lâinterramento della linea elettrica, il ripristino del suolo,lâinserimento in aree antropizzate.
2.5.2 Impatto acustico
Figura 2.2: Scala delle percezioni del rumore.
Il rumore che si sente in prossimita di uno o piu aerogeneratori ha due tipologie di sorgente:meccanica ed aerodinamica.
14 Il problema energetico
Le apparecchiature presenti allâinterno della navicella generano del rumore, in particolareil moltiplicatore di giri ed il generatore elettrico. Si tratta, pero per lo piu di problematicheappartenenti al passato, quando si usavano tralicci per sostenere in quota le navicelle. Oggiper lo piu le navicelle vengono installate su torri tubolari e grazie allâutilizzo di basamenti esmorzatori elastici ed allâinsonorizzazione della navicella e possibile diminuire notevolmente ilrumore e le vibrazioni trasmesse allâesterno. In ogni caso la navicella e posta ad una quotache oggi, in genere, va dai 50 agli 80 metri; cio comporta una riduzione del rumore dovuta alladistanza che intercorre tra le apparecchiature e il terreno.
Il rumore di origine aerodinamica e invece prodotto dallâinterazione della vena fluida con lepale del rotore in movimento, dal vento che agisce sullâambiente circostante e dalle vibrazionidelle superfici; e il rumore di fondo che si percepisce stando in una centrale eolica.
Ma esso viene molto smorzato dallâintroduzione della velocita variabile che permette diridurre il numero di giri del rotore quando il vento e piu debole e consente velocita periferichedelle estremita delle pale piu contenute.
Mentre al crescere della velocita del vento, il rumore di fondo, generato dal vento stesso,prevale sul rumore aerodinamico indotto dalla turbina stessa.
Nella valutazione degli eventuali effetti del rumore, inoltre, e imprescindibile considerareanche la distanza dalle abitazioni e la loro posizione rispetto alle direzioni assunte dai ventidominanti.
2.5.3 Effetti su flora e fauna
Per quanto riguarda la flora, dalle esperienze maturate in paesi con elevata diffusione dellâeoliconon risulta alcun effetto misurabile, in condizioni di esercizio degli impianti e risulta esserelimitato alle fasi di cantiere, in cui gli sbancamenti necessari per realizzare le fondazioni degliaerogeneratori, le piazzole, le vie di collegamento e i tratti di cavidotto interrato (misura questanecessaria per mitigare lâimpatto visivo) richiedono un intervento sulla superficie.
Riguardo alla fauna, invece, occorre distinguere lâinterferenza con la fauna terrestre da quellacon lâavifauna.
Per quanto concerne lâinterferenza con la fauna terrestre e dimostrato dallâesperienza che lapresenza di campi eolici non arreca disturbo ad animali domestici, greggi e mandrie. Nellâeve-nienza che sia presente fauna selvatica in prossimita del sito prescelto, sara necessario attuaredegli accorgimenti atti a mitigare lâeventuale influenza sugli animali, come ad esempio fare inmodo che le fasi di cantiere non coincidano con momenti particolari della vita degli animali(accoppiamento, gestazione o parto).
Lâinterferenza con lâavifauna stanziale e migratoria, invece, e uno dei temi piu controversie dibattuti ai fini del posizionamento delle centrali in zone ad elevato interesse naturalistico.In Italia, ad esempio, molte specie di uccelli protette o a rischio trovano rifugio stanziale ostagionale nella zona appenninica, interessata dallo sviluppo di turbine eoliche.
Sono soprattutto gli uccelli rapaci, i migratori ed i pipistrelli a poter subire effetti dovutialla presenza delle turbine: câe infatti il rischio di collisione con le pale.
Non mancano studi approfonditi come quello fatto da Orloff-Flannery [7] (âWind turbineeffects [...]â della BioSystems Analysis, Inc. ), condotto in California nelle contee di Alameda eContra Costa (Altamont Pass Wind Resource Area) nel biennio 1989â1991.
Questo studio ha preso in considerazione 1 120 aereogeneratori sui circa 7 000 presenti intutta la zona;
Durante il primo anno, il numero di corpi ritrovati e stato di 141 (113 sul sito e 28 inprossimita). Piu del 76,6% degli uccelli colpiti erano rapaci (108). Mentre durante il secondoanno, il numero di carcasse ritrovate e stato di 72 (69 sul sito e 3 in prossimita). Di questi irapaci costituivano il 59,7% degli uccelli colpiti (43). Le turbine e le linee elettriche ad esseassociate sono responsabili della morte del 74% degli uccelli ritrovati.
2.5 Impatto dello sfruttamento eolico 15
Le autrici stimano che durante il primo anno di studio i rapaci uccisi su tutto il sito,potrebbero essere piu di 300.
Ma cio che e piu interessante e che sembra esserci un certo livello di apprendimento siada parte dei volatili stanziali che di quelli migratori, cosa che sembra venga confermata daosservazioni fatte in Danimarca (che parlano di uccelli che deviano le rotte mantenendosi ad unadistanza di sicurezza dagli aerogeneratori), e da studi condotti in Spagna su circa 1 000 turbineche parlano di una sorta di âevoluzione adattativaâ degli uccelli stessi alle mutate condizioniambientali, con una sensibile riduzione nel tempo del numero di esemplari danneggiati dallapresenza dei generatori. Ovviamente lo studio di Orloff-Flannery [7] risulta essere abbastanzadatato, e visto che si ritiene che il rischio di collisione diminuisca con il crescere della tagliadella turbina (che fa decrescere la velocita di rotazione del rotore) si ritiene che oggi ci sianomeno pericoli provenienti dalle turbine per lâavifauna rispetto agli anni â90.
Tuttavia lo studio di Thelander et al. [8] (sempre della BioSystems Analysis, Inc. e semprerelativo ad Altamont Pass), in cui si riporta di 439 volatili morti nel biennio 1998-2000 di cui372 (87%) sicuramente dovuti alla collisione con le turbine, parzialmente smentisce le precedenticonclusioni.
Questi dati possono sembrare rilevanti: in realta, se confrontati con i danni prodotti da altrecentrali di produzione di energia da altre fonti convenzionali, mostrano che lâimpatto dellâenergiaeolica sullâavifauna e molto relativo.
Ad esempio, lâincidente della Exxon Valdez ha causato la morte di circa 50 000 uccellimigratori. Questo valore e molte volte superiore alle morti dovute alla collisione di avifaunaper tutte le turbine installate in California.
Invece un reale pericolo per lâavifauna puo essere il cambio climatico (che lâutilizzo dellâe-nergia eolica aiuta a contenere) che potrebbe generare cambi devastanti, tali da far mancare lasincronia tra i periodi migratori e quelli di massima produzione di cibo.
Inoltre si stima che piu di 10 000 uccelli migratori vengano uccisi ogni anno a Toronto trale ore 23.00 e 05.00 per collisioni con le finestre di grattacieli molto illuminati.7
In particolare Erickson et al. [9] arriva ai risultati tradotti nella tabella 2.1.
Tabella 2.1: Stime di mortalita aviaria annua riferita al territorio degli Stati UnitiCausa di morte Mortalita stimata Valore percentuale
Edifici 550 milioni 58,2%Linee elettriche 130 milioni 13,7%
Gatti 100 milioni 10,6%Automobili 80 milioni 8,5%
Pesticidi 67 milioni 7,1%Torri per telecomunicazioni 4,5 milioni 0,5%
Turbine eoliche 28 500 < 0.01%Aeroplani 25 000 < 0.01%
Altre cause(Fuoriuscite e perdite di petrolio, etc.) non calcolate non calcolate
Questo studio dimostra come la fonte eolica concorra solo in minima parte nellâimpattosullâavifauna locale.
In definitiva, la valutazione dellâimpatto ambientale relativo allâavifauna e da studiare inmodo approfondito caso per caso, in modo da consentire agli operatori e alle amministrazionilocali di capire le condizioni della specifica situazione.
7Fonte: http://www.flap.org
16 Il problema energetico
2.5.4 Interferenze sulle telecomunicazioni ed effetti elettromagnetici
I disturbi elettromagnetici dovuti alla presenza di grandi rotori sono limitati alla zona appenacircostante il parco eolico e prevalentemente interferiscono con le onde radio.
Inoltre la navicella viene schermata e lâenergia elettrica viene prodotta a tensioni rela-tivamente basse (minore di 1 000 V) e quindi esiste poca possibilita di generare disturbielettromagnetici nellâambiente.
Lâinterferenza elettromagnetica causata dagli impianti eolici e molto ridotta in quanto nellamaggior parte dei casi per trasportare lâenergia da essi prodotta si utilizzano linee di trasmissioneesistenti.
2.5.5 Emissioni evitate
Lâutilizzo dellâenergia eolica consente di evitare lâimmissione nellâatmosfera delle sostanze in-quinanti e dei gas serra prodotti dalle centrali convenzionali.
Ogni kWh prodotto da una turbina eolica, potrebbe sostituire un kWh di elettricita altri-menti prodotto mediante lâutilizzo di combustibile fossile.
Il livello delle emissioni dipende, naturalmente, dal processo tecnologico utilizzato e daicontrolli eseguiti sui fumi di scarico.
Tuttavia e stato stimato che gli attuali processi producono principalmente:
ïżœ 860 g/kWh (3 096 kg/kJ) di CO2 (anidride carbonica)
ïżœ 10 g/kWh (36 kg/kJ) di SO2 (anidride solforosa)
ïżœ 3 g/kWh (10,8 kg/kJ) di NOX (ossidi di azoto)
Tra questi gas il piu rilevante e lâanidride carbonica, il cui progressivo aumento contribuisceallâeffetto serra ed e causa di drammatici cambiamenti climatici.
La riduzione di emissioni prodotta dallâutilizzo di una fonte rinnovabile quale lâenergia eolica,puo essere calcolata mediante le seguenti formule:
ïżœ CO2 = (P â 0,2 â 8766 â 860)/1000
ïżœ SO2 = (P â 0,2 â 8766 â 10)/1000
ïżœ NOX = (P â 0,2 â 8766 â 3)/1000
dove:
- P e la potenza nominale del generatore in kW;
- 0,2 e una costante che tiene conto dellâintermittente natura del vento e delle normaliperdite energetiche degli impianti eolici;
- 8 766 e il numero di ore presenti in un anno.
Alla luce di questo, una turbina di 1 kW contribuira alle seguenti riduzioni delle emissionisu base annua:
ïżœ 1507,75 kg di CO2
ïżœ 17,53 kg di SO2
ïżœ 5,26 kg di NOX
2.5 Impatto dello sfruttamento eolico 17
2.5.6 Interferenze locali
Quelle di cui abbiamo parlato fino ad ora sono le interferenze globali, riguardanti il mancatoinquinamento (ambientale, elettromagnetico, etc.) per produrre energia elettrica ma esistonoanche interferenze positive che agiscono a livello locale, dovute alla realizzazione e alla gestionedi una centrale eolica.
Ad esempio, per quanto riguarda i comuni che ospitano impianti allâinterno dei loro terrenidemaniali, essi generalmente ottengono una remunerazione che il piu delle volte consente unaumento considerevole degli introiti del comune stesso.
Lo sviluppo di questa tecnologia porta un aumento dei posti di lavoro nellâindustria eolica chedeve produrre ed installare molte piu macchine; a volte esiste un turismo indotto dalla presenzadegli impianti che enfatizza il mercato turistico dellâagriturismo; viene data la possibilita diavvicinare la gente alle fonti rinnovabili di energia per permettere la nascita di una maggiorconsapevolezza nei problemi energetici e un maggior rispetto per la natura.
18 Il problema energetico
Capitolo 3
Sistemi di conversionedellâenergia eolica
3.1 Variazioni periodiche della velocita del vento
Da un punto di vista regionale lâenergia inviata dal sole alle terre emerse, permette ai continentidi riscaldarsi piu rapidamente dei mari e degli oceani circostanti e questo e dovuto alla minoreinerzia termica delle terre rispetto ai mari, dovuta essenzialmente al fatto che uno strato minoredi terreno viene coinvolto in questo ciclo a differenza dello spessore delle acque degli oceanicoinvolti e al differente coefficiente di scambio termico. La differenza di temperatura che si creatra lâaria sopra le terre emerse, che si riscalda di giorno piu velocemente, e lâaria sopra gli oceaniche rimane fredda ed umida, genera una differenza di pressione, la quale e piu alta sui mari epiu bassa sulla terraferma. Da questa differenza di pressione ha origine il vento.
La rotazione terrestre deforma i movimenti delle masse dâaria che vanno a colmare la dif-ferenza di pressione suddetta, generando i cicloni dove si verifica il moto ascensionale di ariacalda ed anticicloni dove esiste aria fredda e umida.
A questo movimento globale, si accompagnano caratteristiche locali piuttosto peculiari, lequali creano un microclima che differisce non poco dalla situazione generale della regione presain esame.
I fenomeni che governano i regimi locali sono esattamente come quelli che generano i mo-vimenti globali delle masse dâaria, e possono essere enfatizzati dallâorografia del territorio e daspecifici fattori da studiare di volta in volta.
E necessario quindi portare avanti uno studio anemologico dei siti interessanti per lâinstalla-zione di centrali eoliche e che venga condotto direttamente sul luogo con osservazioni accurateche durano normalmente piu di un anno.
Il vento puo essere misurato in modo empirico con la scala Beaufort, che suddivide la forzadel vento in 12 gradi e ne stabilisce lâentita osservando i suoi effetti sullâambiente circostante.
Inoltre, il vento puo essere misurato in modo meno soggettivo e piu specifico, misurando lavelocita attraverso lâuso di un anemometro.
La misura della velocita del vento e molto importante, perche lâenergia che se ne puo estrarredipende dal cubo della velocita stessa
La minima variazione della velocita del vento influisce sulla quantita dellâenergia che siottiene
20 Sistemi di conversione dellâenergia eolica
3.1.1 Dipendenza dalla quota
La campagna anemologica e tesa allâanalisi delle caratteristiche dei venti che spazzano unapossibile zona di produzione di energia da fonte eolica.
Lo strumento che serve per ottenere dati attendibili sono le torri anemometriche, strutturea traliccio con sezione triangolare, montanti in tubo e diagonali e traverse in tondo dâacciaio.
Le torri anemometriche vengono utilizzate per le verifiche sul campo relative alla fattibilitadi campi eolici di grande potenza. Le strutture sono completate da una serie di stralli in funedâacciaio ancorati al terreno in piu punti. I profili dâacciaio sono zincati a caldo.Le torri possono essere montate con altezze variabili fra 40 m e 80 m consentendo di installareinizialmente una parte della struttura ed in un secondo tempo la soprelevazione garantendo cosıla massima flessibilita di impiego.In sommita viene montata unâasta per il supporto di parafulmini ed alla base della torre sonopredisposti gli opportuni sistemi di messa a terra. A richiesta e possibile dotare le torri disistema SOV (Segnalazione di Ostacolo al Volo a bassa quota) notturno con luce rossa fissaalimentato da pannelli fotovoltaici.Le torri sono in moduli di 3 metri dal peso contenuto, che possono essere sollevati e montati insequenza utilizzando un accessorio di sollevamento fissato direttamente alla torre. Il modulo dibase e dotato di una cerniera sferica che appoggia sulla piastra di base a contatto con il terreno.Gli stralli vengono fissati al suolo con sistemi di ancoraggio che variano in funzione del tipo diterreno e possono essere costituiti da ancorette a perdere da infiggere nel terreno o da zavorree picchetti in tubo dâacciaio.Le strutture sono in grado di resistere a venti fino a 160 km/h.
La torre anemometrica permette di registrare lâintensita del vento e la sua direzione sia incima che ad altezze intermedie. E cosı possibile determinare il profilo di velocita al variare dellaquota.
Spesso vengono utilizzate torri da 10 metri se le zone da monitorare sono di difficile accesso(siti montani nellâAppennino centrale e meridionale) e sono caratterizzati da una lunghezzadi rugosita particolarmente bassa. Per ottenere risultati migliori, e comunque indispensabileadottare torri alte tra i 30 e 50 metri con anemometri a due o tre altezze.
Inoltre, alcune delle torri rimangono nel sito anche dopo la realizzazione dei parchi eolicicome strumento di monitoraggio delle prestazioni degli aerogeneratori.Oltre alle torri si utilizzano banderuole per effettuare rilevazioni sulle direzioni dei venti e sensoridi temperatura, che servono per identificare le condizioni con potenziale formazione di ghiaccioe conseguente alterazione delle misure.
I sensori trasmettono un messaggio a un data-logger che li trasforma in grandezze fisichee calcola valori statistici dei segnali da memorizzare. I dati statistici comprendono di soli-to velocita media, velocita massima, deviazione standard della velocita, media di direzione etemperatura.
E possibile calcolare la resa energetica della zona grazie a programmi in grado di correggerele rilevazioni anemometriche eseguite in loco mediante dei set di modelli numerici predefiniti,con i quali si puo stabilire il regime della ventosita locale intorno alla stazione anemometricacon una certa affidabilita. Questi modelli sono utili per determinare la resa di un parco eoliconel momento in cui si suppone di inserire nel contesto una serie di turbine le cui caratteristichesiano ben note e implementabili.
I risultati sono utilissimi per capire quale sia la configurazione ottimale che potrebbe avere lafattoria eolica per produrre piu energia, oppure quanto influisca una variazione nella disposizionedelle macchine sulla resa annuale dellâimpianto.
3.1 Variazioni periodiche della velocita del vento 21
3.1.2 Effetti dei rilievi e scelta del sito
Lâindividuazione delle aree di maggior interesse per lâinstallazione di centrali eoliche ha inizioda un macrositing (analisi preliminare del territorio in esame). Lâestensione del territorio puoessere pari a quello di una o piu province, ossia dove ragionevolmente si troveranno zone amaggior ventosita.
Il macrositing consiste nellâanalisi di una carta topografica digitale sulla quale vengonoinseriti i dati anemologici a grande scala rilevati dal servizio meteorologico nazionale.
Obiettivo finale e quello di individuare delle linee di isoventosita (linee che collegano punticon eguale ventosita) che permettano lâindividuazione di siti maggiormente ventosi allâinternodel territorio preso in esame.
Gia nella fase preliminare del progetto, quella che prevede lo studio dei siti piu promettenti,si dovrebbe avviare una consultazione con gli enti locali, volta a valutare se esistano o menoresistenze a realizzazioni di tali impianti da parte della popolazione locale. Aspetto da nonsottovalutare, anche perche se esistono tali resistenze sarebbe opportuno continuare a cercaresiti migliori dove poter installare queste centrali.
Successivamente e necessario portare avanti un altro screening teso alla valutazione delleinfrastrutture. Gli aspetti da tenere in maggiore considerazione in fase preventiva sono lecaratteristiche di viabilita ed accessibilita, con lo studio di eventuali modifiche che permettanoun accesso migliore al sito da parte dei trasporti piu impegnativi da un punto di vista dei pesi edelle dimensioni, cosı come la sufficiente vicinanza alla rete elettrica di MT (media tensione) omeglio ancora di AT (alta tensione), con studio su eventuali situazioni critiche di sovraccarico.
In questa seconda fase lo studio dellâanemologia specifica dei luoghi, lo studio dellâimpattoambientale e paesaggistico e lo studio della realizzazione dellâimpianto (distanza dagli elettro-dotti, viabilita stradale che possa permettere lâingresso di trasporti lunghissimi, ecc.) devonoessere portati avanti parallelamente, permettendo di ottenere, in un periodo di tempo ragio-nevole, un quadro tecnico della situazione che permetta di capire se e possibile installare unacentrale eolica e di quale entita sara la sua resa.
Lo studio della viabilita e dellâaccessibilita al sito prescelto e di primaria importanza, inquanto non e possibile costruire nuove vie dâaccesso e talvolta lâadeguamento delle vie esistentipotrebbe risultare troppo oneroso, anche se spesso, in particolare nelle zone montane, si rea-lizzano percorsi non asfaltati che possono essere riutilizzati dalla viabilita rurale locale, oppureriassorbiti dallâambiente stesso.
Attualmente in Italia le turbine eoliche di maggior diffusione appartengono ai modelli conpotenze da 600 a 850 kW, che vantano diametri da 44 a 55 metri, con torri tubolari divise intronconi molto lunghi. Da questo deriva il fatto che occorre organizzare trasporti eccezionaliper lâinvio di tali componenti in loco.
Altro aspetto da non sottovalutare e lâallaccio alla rete di trasmissione di energia nazionale.Spesso le zone di interesse per la realizzazione di centrali eoliche sono zone rurali lontane daigrandi centri abitati e dipendenti dallâesterno per la fornitura di energia elettrica poiche non vie nelle vicinanze produzione di energia ne da fonte rinnovabile ne da fonte tradizionale.
Ne consegue che la rete a MT (15 â 20 kV) e stata pensata per essere una rete passiva, ossiauna rete di distribuzione di energia elettrica senza la presenza di un generatore nella zona. Sitratta di un aspetto piuttosto importante, in quanto i parchi eolici hanno spesso delle potenzesignificative. Occorre, percio uno studio sul comportamento della rete elettrica locale soggettaallâesportazione dellâenergia.
Le centrali che hanno una potenza superiore a 10 MW sono normalmente collegate ad unarete di trasmissione tra 60 e 150 kV. Oltre alla maggiore capacita di esportazione di energia,una tale rete e caratterizzata da maggiore stabilita e, in modo particolare, da una minorefrequenza di interruzioni. E possibile riscontrare centinaia di interruzioni annue su una reteMT mentre quelle di una linea AT sono dellâordine di 10 allâanno. Questo e un aspetto da
22 Sistemi di conversione dellâenergia eolica
non sottovalutare perche gli aerogeneratori si fermano dopo ogni interruzione con conseguenteperdita di produzione e notevole sollecitazione strutturale della turbina stessa.
Durante lo sviluppo del progetto si deve valutare la compatibilita della centrale eolica con larete elettrica in questione e in modo specifico con il punto di interconnessione. Tale studio deveesaminare eventuali variazioni indesiderate della tensione e della frequenza dellâenergia elettricadovute dalla presenza della centrale eolica.
Un effetto determinante sul flusso del vento e quello derivante dal tipo di copertura del terre-no sul territorio, fattore che, oltre a condizionare la possibilita fisica di installare aerogeneratori,influenza in modo considerevole lâandamento della velocita nello strato limite superficiale.
Se prendiamo in esame il caso piu semplice, quello di un terreno piatto, si osserva che lavelocita del vento aumenta in generale con lâaltezza con un tasso di crescita che dipende dalgrado di scabrosita del suolo. Le caratteristiche del terreno vengono rappresentate col parametroz0 [m], detto âlunghezza di rugositaâ.
Il valore della lunghezza di rugosita per una determinata superficie di territorio vienenormalmente calcolato in base allâapplicazione della seguente legge logaritmica, descritta daPirazzi et al.[10]:
V (z) = uâkâ log ( z
z0) con ⶠz >> z0
dove:
ïżœ uâ e la velocita dâattrito, costante nello strato limite superficiale;
ïżœ k e la costante di von Karman (pari a 0,4);
ïżœ z e lâaltezza dal suolo.
La lunghezza di rugosita riassume in se lâinformazione essenziale nellâambito della teoria chedescrive la crescita della velocita con lâaltezza.
Cosı ad esempio, unâarea urbana sara caratterizzata da un valore di circa 1 m, una prateriacon erba bassa e qualche cespuglio da un valore di circa 0,03 m, una superficie innevata lisciada un valore di circa 0,0005 m.
Attraverso questa legge, valida in condizioni di atmosfera stabile (ipotesi accettata in condi-zioni di vento piuttosto sostenuto) si puo osservare come a parita di vento in quota la velocitadel vento ad alcune decine di metri dal suolo vari sensibilmente al di sopra di aeree di diversarugosita, e sia in particolare maggiore al di sopra dei terreni piu lisci.
Un altro effetto determinante, e piuttosto importante in particolar modo in Italia, e quellodei rilievi montuosi.
Il vento subisce unâaccelerazione sulle sommita di creste montuose o collinari, effetto che sicombina con lâaumento della velocita dovuto allâaltezza.
Questo aspetto va ad incidere sul profilo della velocita del vento, che risulta, in tal modo,alterato rispetto alla legge logaritmica indicata in precedenza.Il complesso quadro anemologico generato dalla suddetta fenomenologia e stato oggetto di studiofn dalle prime iniziative di sfruttamento energetico del vento in Italia.
La presenza di un territorio ad orografia particolarmente complessa ha reso questo lavoroparticolarmente impegnativo rispetto ai paesi piu pianeggianti. Lâobiettivo, concretizzatosicon la preparazione di un Atlante eolico, e stato portato avanti cercando di rappresentare lecaratteristiche interessanti a fini dello sfruttamento energetico, la velocita media annua delvento e la producibilita di energia, nei diversi punti del territorio.
In conclusione, lâaccertamento dellâidoneita di un sito nellâospitare un impianto di produzionedellâenergia da fonte eolica richiedera la verifica dellâesistenza di un certo numero di condizioni,come:
3.2 Energia disponibile dal vento e legge di Betz 23
ïżœ adeguata ventosita, definita da opportuni parametri statistici, ottenuti elaborando datianemometrici (tipicamente velocita e direzione del vento) che vanno riferiti ad un periododi tempo statisticamente significativo e ad unâaltezza dal suolo tale da rendere attendibileil loro riporto al livello del mozzo degli aerogeneratori;
ïżœ disponibilita di un terreno che abbia un area adeguata ad ospitare un numero sufficiente diaerogeneratori e che sia libero da vincoli ambientali e dâuso che ne impediscano lâimpiego;
ïżœ andamento di velocita e direzione del vento sufficientemente omogeneo sullâarea di interes-se, sia sul piano orizzontale che per quanto riguarda lâandamento della velocita del ventocon lâaltezza rispetto al terreno;
ïżœ terreno privo dâirregolarita e ostacoli tali da creare, da un lato, unâeccessiva turbolenzadel vento (nociva in particolare per la produzione stessa di energia) e, dallâaltro lato,problemi tecnici e costi troppo gravosi per lâinstallazione degli aerogeneratori e degli altricomponenti dellâimpianto;
ïżœ assenza di insediamenti abitativi nelle immediate vicinanze;
ïżœ esistenza di un sistema viario di collegamento alla rete stradale che consenta un agevoletrasporto e montaggio in sito dei componenti dellâimpianto;
ïżœ presenza di una rete elettrica, in grado di assorbire lâenergia prodotta dallâimpianto eolicosenza richiedere la costruzione di ulteriori linee di collegamento.
Partendo dallo stadio in cui si dispone solo di una stima approssimativa della ventositadellâarea, il progettista individuera i siti che offrono una idonea risorsa eolica usando datianemologici qualificati, tenendo in considerazione che le aree piu promettenti sono quelle conuna velocita media al mozzo superiore a 6 m/s. Nella scelta del luogo un criterio da tenere inconsiderazione e quello di mirare a punti ubicati sulla cresta di rilievi collinare o montani, dovee possibile attendersi un accelerazione della vena fluida.
Quando tuttavia i rilievi hanno una conformazione non regolare e piuttosto varia, come av-viene nella realta delle aree montane e collinari. Ogni situazione diventa un caso a se. Tuttavia,la ricerca del sito perfetto deve essere guidata da regole generali.
Una delle piu importanti e quella di preferire punti non molto prossimi a rilievi con unapendenza eccessiva, per evitare effetti di turbolenza che possano essere dannosi per la regolareattivita degli stessi aerogeneratori.
3.2 Energia disponibile dal vento e legge di Betz
La legge di Betz riflette una teoria per le macchine a fluido sviluppata da Albert Betz.Essa mostra la massima energia possibile, nota come limite di Betz, che si potrebbe
ricavare tramite un rotore infinitamente sottile da un fluido che scorre ad una certa velocita.Secondo la teoria di Betz, una turbina eolica ideale rallenta il vento di un fattore 2/3 rispetto
alla velocita a monte della turbina, riuscendo a convertire meno di 16/27 dellâenergia cineticadel vento in energia meccanica usando una turbina eolica.
Le ipotesi alla base della teoria di Betz sono le seguenti:
ïżœ Concetto di tubo di flusso: il tubo di corrente che attraversa il disco attuatore noninteragisce con la restante porzione di fluido che lo circonda.
24 Sistemi di conversione dellâenergia eolica
ïżœ In ogni sezione del tubo di flusso sussiste una distribuzione di velocita permanente, uni-forme e monodimensionale lungo lâasse. Il rallentamento di vena sul disco attuatore edistribuito uniformemente sulla sezione del disco.
ïżœ Nelle sezioni infinitamente a monte e a valle si puo ipotizzare una situazione fluidodina-mica indisturbata dalla presenza della macchina, ovvero la pressione e uguale a quellaatmosferica dellâambiente esterno, proprio come nella condizione di getto libero.
ïżœ Il flusso eolico non incontra ostacoli oltre la turbina, ne sopravvento ne sottovento.
ïżœ Il vento e stazionario e di intensita costante con la quota.
ïżœ Non ci sono effetti di rotazione della vena a causa dellââestrazioneâ di quantita di moto.
ïżœ Si trascura la comprimibilita dellâaria, cioe la densita e ritenuta costante.
Quella di Betz dunque e una teoria che richiede molte approssimazioni, ed alcune di essesono suscettibili di introdurre errori piuttosto importanti, in particolare lâipotesi di assenza dirotazione della vena fluida a valle del rotore.
Il superamento di questa ipotesi esemplificativa costituisce, in linea di massima, il miglio-ramento apportato dalla gia citata teoria di Glauert (che verra successivamente utilizzata inquesto lavoro) ed in particolare essa arriva alla conclusione che il limite di Betz e solo un asin-toto, al quale tende il rendimento aerodinamico di un rotore ideale (con pale infinite e profiliaerodinamici a resistenza nulla) quando, come si vedra in seguito, il suo rapporto di velocitaalla punta della pala e sufficientemente grande (maggiore di 10).
Da cio perviene la bassa densita energetica dellâenergia eolica per unita di superficie, checomporta la necessita di procedere allâinstallazione di piu macchine, nel caso si voglia produrrequantita rilevanti di energia elettrica, per lo sfruttamento ottimale della risorsa disponibile. Nelcaso piu generale lo sfruttamento del vento si effettua tramite la centrale eolica, costituita dalraggruppamento di piu generatori disposti in modo diversificato sul territorio e collegati ad unalinea elettrica che li raccorda alla rete locale o nazionale.
3.3 Classificazione degli aerogeneratori
Gli impianti eolici possono essere suddivisi in base alle loro applicazioni:
ïżœ produzione e vendita di energia elettrica - si realizza con aerogeneratori di potenza com-presa tra 500-3000 kW collegati singolarmente o in piu unita (centrali eoliche) alla reteelettrica di media-alta tensione; - lo sfruttamento della risorsa ha luogo in genere in am-biente terrestre, ma sta assumendo un ruolo sempre piu rilevante la tecnologia offshoreche prevede lâinstallazione delle macchine in ambiente marino;
ïżœ produzione di energia elettrica per utenze isolate o allacciate alla rete elettrica di bassatensione - si effettua con aerogeneratori generalmente singoli e di piccola taglia ( 100 kW).La generazione di elettricita puo essere abbinata, nei sistemi ibridi, ad altre fonti di energiaquali mini idraulica, fotovoltaico e convenzionale (diesel). Il mercato di questa tipologiadi macchine e in continua espansione in particolar modo nei paesi in via di sviluppo.
Le macchine eoliche a loro volta, possono essere classificabili in diverse maniere:
ïżœ in funzione dellâenergia sfruttata:
3.3 Classificazione degli aerogeneratori 25
â aeromotori: effettuano la trasformazione dellâenergia meccanica del vento in ener-gia meccanica dellâasse di rotazione e tramite una catena puramente cinematicamovimentano materiali (aeropompe), macinano e frantumano materiali (mulini) eazionano macchine operatrici;
â aerogeneratori: effettuano la conversione dellâenergia del vento in energia elettricacontinua o alternata; possono essere distinti in macchine ad asse orizzontale o ver-ticale; possono essere isolati o in gruppo e ancora essere collegati ad utenze isolate,piccole reti locali (in genere in sistema integrato con motori diesel) o alle reti regionalie nazionali;
ïżœ in funzione della posizione dellâasse di rotazione
â ad asse orizzontale HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine);
* ad asse esattamente orizzontale;
* ad asse inclinato sullâorizzontale (esiste il solo rotore Poulsen);
â ad asse verticale VAWT (Vertical Axis Wind Turbine)
* rotori Darrieus;
* rotori Savonius;
* rotori Giromill;
* macchine del tipo ad ala battente e a tapis roulant;
ïżœ in funzione della potenza:
â di piccola taglia (rotore con â < 20 m e potenza < 100 kW);
â di media taglia (rotore con â 20 â 50 m e potenza 100 â 800 kW)
â di taglia intermedia (rotore con â 50 m, o poco piu, e 800 â 1 000 kW);
â di grande taglia (rotore con â > 50 m e potenza > 1 MW con esempi di macchineda 3 MW);
ïżœ in funzione della solidita e velocita del rotore:
â lento ad elevata solidita (multipala o mulino americano);
â veloce a bassa solidita (da 1 a 3-4 pale con profili aerodinamici);
ïżœ in funzione della regolazione di potenza:
â controllo dellâorientazione rispetto alla direzione del vento;
â controllo dellâorientazione e del calettamento delle pale.
Gli aerogeneratori eolici sono, come abbiamo visto, divisibili in due gruppi distinti in funzionedel modulo base adoperato definito appunto generatore eolico:
ïżœ generatori eolici ad asse verticale, indipendenti dalla direzione di provenienza del vento;
ïżœ generatori eolici ad asse orizzontale, in cui il rotore va orientato perpendicolarmente alladirezione di provenienza del vento
26 Sistemi di conversione dellâenergia eolica
I primi generatori usati nelle macchine eoliche erano dei motori elettrici convenzionali chevenivano usati come generatori normalmente collegati alla rete. Uno dei principali svantaggiera rappresentato dalla curva di rendimento che aveva generalmente un massimo piuttosto pro-nunciato in corrispondenza della potenza nominale del motore. Quando la turbina funzionavaa potenze diverse da quella nominale il rendimento crollava a valori molto piu bassi incidendonegativamente sulla resa energetica complessiva.
I generatori eolici a partire dal 1985 hanno migliorato drasticamente il rendimento, le di-mensioni e costi. Tali generatori sono riusciti a passare da una produzione di pochi kW dipotenza a punte di 3 MW per i piu efficienti e una produzione tipica del mercato di 1,5 MW,con una velocita del vento minima di 3-4 m/s.
Un generatore sia ad asse verticale che orizzontale richiede una velocita minima del vento(cut-in) di 3-5 m/s ed eroga la potenza di progetto ad una velocita del vento di 12-14 m/s.Ad elevate velocita (20-25 m/s, velocita di cut-off ) lâaerogeneratore viene bloccato dal sistemafrenante per ragioni di sicurezza. Il bloccaggio puo avvenire con freni che bloccano il rotoreo con metodi che si basano sul sistema della messa im bandiera del rotore e ânascondono lepale al ventoâ o con sistemi che agiscono sul calettamento delle pale fino a metterne in stallo ilprofilo aerodinamico, oppure una combinazione di tutti e tre.
Esistono anche generatori a pale mobili che adattano il calettamento in maniera continua trala parte alta e quella bassa dellâarea spazzata limitando cosı le variazioni di momento flettentesulle pale e quindi lâentita del ciclo di fatica e permettendo lâadozione di pale piu leggere, e adoppia elica controrotante, anche per raddoppiare la potenza elettrica prodotta. I generatorieolici possono essere silenziosi; il problema principale e la dimensione delle pale che impattanegativamente sul paesaggio.
Le velocita di rotazione dellâaerogeneratore sono molto variabili, come lo e la velocita delvento; ma la frequenza di rete deve essere costante a 50 hertz, percio lo standard danese chesi e andato diffondendo sempre piu per la sua facilita di regolazione, impone che essi sianodotati di generatori asincroni, i quali hanno si una velocita di rotazione del campo magneticodeterminata dal tipo di rete alla quale sono connessi, ma generano potenza elettrica attiva solose spinti di poco al di sopra di questa velocita di rotazione, eliminando la necessita di regolarela sincronizzazione con la rete e con lâunico onere di rifasare la potenza elettrica prodotta.
La cinematica del generatore eolico e caratterizzata da bassi attriti, assenza di surriscal-damento e di un sistema di refrigeranti (olio ed acqua) e un costo di manutenzione moltobasso.
I principali produttori mondiali di aerogeneratori sono aziende tedesche, danesi e spagnole:Vestas, Enercon, Siemens, Gamesa Eolica, GE Wind, Nordex, NedWind, Enron Wind. Sonocirca 26 le aziende che producono gli aerogeneratori.
Un generatore eolico ad asse orizzontale (HAWT, in inglese Horizontal Axis Wind Turbines)e formato da una torre in acciaio di altezze tra i 60 e i 100 metri sulla cui sommita si trova uninvolucro (gondola) che contiene un generatore elettrico azionato da un rotore a pale lunghecirca 20 metri (solitamente 2 o 3). Esso genera una potenza molto variabile, tipicamente 600chilowatt, che equivale al fabbisogno elettrico giornaliero di 500 famiglie o di 1000 case.
Gli aerogeneratori tradizionali hanno, quasi senza eccezioni, lâasse di rotazione orizzontale.Questa caratteristica e il limite principale alla realizzazione di macchine molto piu grandi diquelle attualmente prodotte: i requisiti statici e dinamici che bisogna rispettare non consentonodi ipotizzare rotori con diametri molto superiori a 100 metri e altezze di torre maggiori di180 metri. Queste dimensioni riguardano macchine per esclusiva installazione off-shore. Lemacchine on-shore piu grandi hanno diametri di rotore di 70 metri e altezze di torre di 130metri. In una macchina cosı costruita il raggio della base supera i 20 metri. La velocita delvento cresce con la distanza dal suolo; questa e la principale ragione per la quale i costruttoridi aerogeneratori tradizionali spingono le torri a quote cosı elevate. La crescita dellâaltezza,insieme al diametro del rotore che essa rende possibile, sono la causa delle complicazioni statiche
3.4 Aerogeneratore ad asse verticale (VAWT) 27
dellâintera macchina, che impone fondazioni complesse e costose e strategie sofisticate di âmessain bandieraâ in caso di improvvise raffiche di vento troppo forte.
3.4 Aerogeneratore ad asse verticale (VAWT)
Un generatore eolico ad asse verticale (VAWT, in inglese Vertical Axis Wind Turbines) e un tipodi macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantita di parti mobili nella sua struttura,il che le conferisce unâalta resistenza alle forti raffiche di vento, e la possibilita di sfruttarequalsiasi direzione del vento senza doversi riorientare continuamente.
E una macchina molto versatile, adatta allâuso domestico come alla produzione centraliz-zata di energia elettrica nellâordine dei MW (una sola turbina soddisfa il fabbisogno elettricomediamente di circa 1 000 case)
Grandi macchine eoliche ad asse verticale sono state concepite e realizzate fin dal 1920. Lasostanziale minore efficienza rispetto a quelle con asse orizzontale (-30%), oltre che gli alti costidi costruzione di una macchina multi-MW, ne ha di fatto confinato lâimpiego nei laboratori,anche se non mancano voci di dissenso, che invece auspicano che venga incrementata la ricercain questo campo.
Si e cercato di ottimizzare molto queste macchine, rendendole molto competitive; gli ultimiprototipi, funzionando in molte piu ore lâanno rispetto a quelle ad asse orizzontale ed hanno unrendimento complessivo maggiore rispetto al passato.
Ma lâunica installazione industriale oggi esistente e quella di Altamont Pass in California,realizzata dalla FloWind nel 1997, la stessa che e stata oggetto degli studi di Orloff-Flannery [7]e di Thelander et al. [8]. Lâinstallazione e in fase di smantellamento, a causa delle difficoltaeconomiche del costruttore, che e in bancarotta.
Non bisogna dimenticare, infatti, che il parametro decisivo che guida la scelta di un sistemarispetto ad unâaltro e il tempo di ritorno dellâinvestimento, e dato che per tutte le macchineeoliche il âcombustibileâ e gratuito, il rendimento intrinseco della macchina non influisce semprepositivamente sui costi di produzione e di esercizio della stessa.
La turbina a vento di Savonius e un tipo di turbina a vento ad asse verticale, utilizzataper la conversione dellâenergia del vento in coppia su di un albero rotante (principalmente permuovere pompe idrauliche). Inventata dallâingegnere finlandese Sigurd J. Savonius nel 1922 ebrevettata nel 1929, e una delle turbine piu semplici.
Esiste in Italia un progetto che consiste in una centrale eolica ad asse di rotazione verticale.Si tratta del Kite Wind Generator o Kitegen. Questo elimina i problemi statici e dinamiciche impediscono lâaumento della potenza (e delle dimensioni) ottenibile dagli aerogeneratoritradizionali. Il problema di âcatturareâ il vento e risolto dallâidea di impiegare profili alaridi potenza (Power Kites) solidali al perimetro della turbina. I profili alari di potenza volanosecondo traiettorie prestabilite, che permettono di trasformare la forza esercitata sui cavi in unacoppia complessiva concorde che mette in rotazione le braccia di una giostra ad asse verticale.In pratica, i profili alari di potenza sono le pale della turbina, che le consentono di ruotareintorno ad un asse verticale, semplificando enormemente i problemi di fondazione e di rigidezza.Nellâagosto 2006 e stato costruito un primo prototipo dal nome Mobilegen.
28 Sistemi di conversione dellâenergia eolica
Capitolo 4
Il modello ITDG IT-100
4.1 Descrizione tecnica e metodologia di progetto
Il progetto IT-100 dellâIntegrate Technology Development Group (ITDG) consiste in un genera-tore elettrico a magneti permanenti (in ferrite o neodimio), di circa 150 W di potenza nominale,la cui costruzione e descritta in Piggot [1], pensato per essere costruito in loco (con utilizzo dimanodopera il piu possibile locale) dalle Organizzazioni Non Governative interessate allo svi-luppo sostenibile dei Paesi in cui operano, con attrezzature a basso costo ed in modo da ridurreil piu possibile il costo del prodotto finito pur non prevedendo grossi volumi di produzione. Ilgeneratore finito, poi puo avere i piu svariati utilizzi tra cui, dotato di pale con profilo aerodi-namico e montato su di un sostegno con protezione per raffiche di vento forte, appositamentestudiato, puo funzionare da generatore eolico ad asse orizzontale, di bassa potenza. Lo scopo diquesto lavoro e quello di dimensionare le pale ed il sistema di protezione dellâaerogeneratore conopportune approssimazioni volte a renderne piu semplice la costruzione, per poi arrivare allapredeterminazione teorica delle caratteristiche aerodinamiche descritte dalle curve di potenzae di spinta assiale in funzione della velocita adimensionale λ = (u/v) (u = velocita perifericadella punta della pala e v = velocita del vento) ed arrivare infine allâindicazione della curva dipotenza in funzione della velocita del vento propria dellâaerogeneratore. A questo scopo sonostate seguite le indicazioni di Le Gourieres [3] per lâaerodinamica del rotore e la spiegazionedella teoria di Glauert, ed e stato utilizzato il programma Xfoil di Drela [11] per la determina-zione delle curve di variazione dei coefficienti di portanza e resistenza in funzione dellâangolo dicalettamento, tramite simulazione numerica dei profili aerodinamici bidimensionali investiti dauna corrente dâaria.
4.2 Descrizione del generatore elettrico
Il generatore elettrico e del tipo, poco convenzionale, a direzione del flusso magnetico parallelaallâasse di rotazione, costituito da 6 bobine sullo statore sottoposte al campo magnetico creatoda 8 coppie di magneti permanenti disposte sul rotore in modo che i magneti di ciascuna coppiavengano a trovarsi uno davanti e lâaltro dietro lo statore, come mostrato nello schema di figura4.1 tratto da Piggot [1].
Le bobine sono tenute in sede affogandole in una colata di resina di poliestere e polveredi talco rinforzata con fibra di vetro, che costituisce lo statore finito, e disposte secondo laconfigurazione mostrata in figura 4.2.
30 Il modello ITDG IT-100
Figura 4.1: Vista esplosa del generatore a magneti permanenti
Figura 4.2: Disposizione delle bobine nello statore
4.2 Descrizione del generatore elettrico 31
Il prodotto finito ha un peso di 25 kg, dei quali 10 kg sono costituiti dai magneti del rotore,i quali hanno un costo approssimativo di 325 $, nel caso dei magneti di neodimio, e si presentacon lâaspetto in figura 4.3:
68115
Ă19
Ă25
Ă323
Ă8
6
Ă273
Figura 4.3: Vista esterna del generatore, misure in mm
Le tre serie da tre fori ciascuna, servono per il fissaggio delle pale e dellâeventuale conofrontale, mentre dal tubo posteriore, che serve anche per il fissaggio sul supporto, fuoriescono itre cavi elettrici utilizzati per la trasmissione della corrente trifasica di uscita eventualmente daraddrizzare facendo uso di due ponti raddrizzatori o di sei diodi. Generalmente le bobine sonoconnesse in tre serie da due, connesse a loro volta a triangolo ed in questa configurazione, ilgeneratore ha dimostrato, nelle prove di laboratorio, le potenzialita espresse dalle tabelle 4.1 e4.2, la prima relativa al sistema con magneti permanenti in ferrite e la seconda relativa a quellocon magneti al neodimio NdFeB.
32 Il modello ITDG IT-100
Tabella 4.1: Generatore con magneti in ferrite, prova con un carico di 105 W a diverse velocitadi rotazione Ï (η: rendimento elettrico complessivo)
Ï [rpm] Pot ac [W] Pot dc [W] η % ac η % dc I dc [A] V dc [V] I ac [A] V ac [V]275 23,6 20,22 43,58 37,34 5,68 3,56 3,41 4370,3 43,29 40,88 46,54 43,95 7,3 5,6 4,55 5,5457,3 69,63 64,22 48,9 45,1 8,45 7,6 5,75 7513 86,1 80,96 49,82 46,84 9,2 8,8 6,3 7,9631,7 124 115,58 51,57 48,07 10,32 11,2 7,24 9,9724,8 156,88 148,62 52,61 49,84 11,2 13,27 7,92 11,45821 196,49 187,79 53,62 51,25 12,25 15,33 8,67 13,1910,8 233,89 225,98 54,35 52,51 13,1 17,25 9,26 14,6
Tabella 4.2: Generatore con magneti in NdFeB, prova con un carico di 105 W a diverse velocitadi rotazione Ï (η: rendimento elettrico complessivo)
Ï [rpm] Pot ac [W] Pot dc [W] η % ac η % dc I dc [A] V dc [V] I ac [A] V ac [V]121,8 22,76 22,5 51 50 5 4,5 3,06 4,3182 54,67 55,89 60 61 6,9 8,1 4 7,9231,3 94,62 93,79 63 62 8,3 11,3 5,31 10,3274 133,28 127,4 64 61 9,1 14 6,42 12324 190,9 184,8 66 64 10,5 17,6 7,61 14,5362 212,01 204,37 65 63 10,7 19,1 8,17 15414 267,36 260,78 65 63 11,8 22,1 9,31 16,6
4.3 Progetto dellâaeromotore
4.3.1 Determinazione del regime di funzionamento nominale
Secondo la teoria di Betz, la potenza generata da una turbina eolica e:
P = 1
2Cp Ï Ï r
2 v3 (4.1)
con Cp = 16/27 (limite di Betz) per un aeromotore ideale in regime di massima captazione, cioequando la componente della velocita parallela allâasse del flusso dâaria in uscita dalla turbina e1/3 di quella del flusso dâaria in entrata.
La teoria dei vortici di Glauert, molto ben spiegata da Le Gourieres [3], poi dimostra chequesto limite non e costante al variare del rapporto di velocita λ = u/v ma e uguale a zero perλ = 0 e tende asintoticamente a 16/27 per λ ââ (anche se gia per λ > 10 si ha Cp â 16/27) Inquesto caso il massimo rendimento del generatore e del 66% con produzione di 184,8 W a 324rpm, e questa potenza deve eguagliare la potenza data dalla 4.1.
Essendo Ï = 1,24, si puo assumere per v il valore piu probabile della velocita del vento inun determinato luogo, ad esempio v = 9 m/s, mentre per il coefficiente di potenza Cp, tenendoconto che il sistema probabilmente avra molte perdite, si puo ipotizzare il valore 0,4 in primabattuta.
Con queste ipotesi si ottiene, per il raggio del rotore:
4.3 Progetto dellâaeromotore 33
r =ÂżĂĂĂPrendmax/ηmax
1/2 Cp Ï Ï v3= 0,647 < 0,70[m]
e per il valore di λ:
λ = (2 Ï r Ï/60)/v = 2,63894
che risulta essere abbastanza compatibile, secondo i grafici statistici, con il Cp indicato.
Ovviamente disponendo di un generatore con il massimo del rendimento ad una velocitadi rotazione maggiore, sarebbe possibile utilizzare un λ piu alto ed ipotizzare un rendimentoaerodinamico piu alto.
4.3.2 Pale
dR
5 .59°
dFu
dFv
dRx
dRz
I
i
14.2 4°
7.00°
7.24°
U
W
V
Figura 4.4: Triangolo di velocita alla punta della pala e forze di portanza e resistenza generateda un profilo aerodinamico (NACA4412)
In figura 4.4 e mostrato il generico triangolo di velocita alla punta della pala e le forzegenerate dallâazione del vettore della velocita relativa W sul profilo aerodinamico: e possi-bile esprimerla come somma di una componente parallela a W , detta Rx e proporzionale alcoefficiente di resistenza Cx caratteristico del profilo aerodinamico scelto, ed una componenteperpendicolare a W , detta Rz e proporzionale al coefficiente di portanza Cz del profilo. Questaforza poi, in virtu del vincolo delle pale sul rotore, si trasmette come una componente perpen-dicolare al piano di rotazione del rotore Fv, assorbita dalle reazioni vincolari, ed una, dettaFu, giacente sul piano di rotazione del rotore, che genera la coppia necessaria a mantenerlo inmovimento.
34 Il modello ITDG IT-100
Nella figura inoltre si nota lâangolo I = arc tanλ e lâangolo i di incidenza effettiva del vettoreW sul profilo, che di solito viene scelto in modo da avere, almeno alla punta della pala, il maggiorrapporto Cz/Cx (finezza) sul profilo considerato e quindi il minor valore di tan Δ = Cx/Cz .
Conoscendo questi due angoli e possibile determinare lâangolo di calettamento α = I â i, ede possibile ripetere questo calcolo per tutte le sezioni in cui si voglia dividere la pala al variaredella distanza dal centro di rotazione r, in modo da determinarne il profilo di svergolamento.
Ai fini del progetto della pala, inoltre, e bene fare in modo che la coppia generata da tuttele sezioni della pala al variare di r, sia il piu possibile uguale e percio sia il piu possibile uguale
su tutta la lunghezza della pala la quantitaCz p lp
r(con p numero delle pale ed lp lunghezza
della corda del profilo).Per fare questo, al diminuire di r deve aumentare lp.La teoria di Glauert perfeziona meglio il calcolo introducendo i parametri k ed h che servono
a correggere il valore del rapporto di velocita locale λr relativo alle diverse sezioni di pala, ecalcolarne quello effettivo λe, differenza, questa, dovuta al fatto che vengono usati profili realidal punto di vista della resistenza aerodinamica, ed il valore di tan Δ, per quanto piccolo, nonsara mai uguale a zero.
In base a questa correzione si calcola lâangolo I e la quantitaCz p lp
rtramite le formule che
seguono.
λr = ur/v (4.2)
Ξ = 1
3arctanλr +
Ï
3(4.3)
k =âλ
2r + 1 + cos Ξ (4.4)
h =ÂżĂĂĂ1 + 1 â k2
λ2r
(4.5)
Cp = λ2r(1 + k)(h â 1) (4.6)
λe = λr1 + h1 + k (4.7)
I = arc cotλe (4.8)
Cz p lp
r= 8Ï
1 â k1 + k (tan I)2 cos I (4.9)
In particolare per il λ considerato, alla punta della pala, si hanno i risultati della tabella 4.3:
Tabella 4.3: Risultati alla punta della pala
λ Πk h Cp λe I (Cz p lp)/ r2,638938 1,450056 0,339908 1,061605 0,574843 4,060313 13,835813 0,729227
Mentre in tabella 4.4 sono presentati i risultati al variare della distanza dallâasse di rotazione.
4.3 Progetto dellâaeromotore 35
Tabella 4.4: Risultati su tutta la lunghezza della pala al variare della distanza dallâasse dirotazione
r I (Cz p lp)/r0,15 40,3416 5,976610,2 35,3229 4,626770,25 31,1308 3,619380,3 27,6553 2,871260,35 24,7719 2,312630,4 22,3668 1,890820,45 20,3452 1,567900,5 18,6311 1,317080,55 17,1650 1,119440,6 15,9001 0,961550,65 14,7999 0,833810,7 13,8358 0,72923
A questo punto e importante scegliere il numero di pale che avra il rotore, e per far questobisogna tenere conto che la teoria di Glauert ipotizza un numero di pale infinito ed in questo casose i profili aerodinamici scelti avessero una finezza infinita, ossia sviluppassero solo portanza enessuna resistenza aerodinamica, il Cp del rotore si avvicinerebbe molto al limite di Betz per λelevati (superiori a 10).
Nella realta, pero un alto numero di pale fa girare il rotore piu lentamente e quindi riduce ilCp massimo ottenibile, come mostrato nella figura 4.5, tratta da Cella [12], mentre secondo laformula di Prandtl spiegata da Le Gourieres [3] il rendimento dovuto allâutilizzo di un numerofinito di pale p, e data dalla relazione:
ηp = (1 â 1,39
psin It)
2
dove It e lâangolo di inclinazione allâestremita delle pale.
E per questo che di solito per lâaccoppiamento diretto a generatori elettrici si scelgono rotoritripala, ed e anche la scelta che verra fatta in questo caso, trattandosi di una macchina chedeve girare a basse velocita specifiche.
Unâaltra scelta importante e quella del profilo aerodinamico e dellâangolo dâincidenza otti-male, dal quale ricavare il calettamento effettivo in funzione della distanza dallâasse di rotazione.
A questo scopo e possibile prendere come riferimento i grafici empirici delle polari di Eiffeltabulati per i diversi profili aerodinamici studiati in galleria del vento e che e possibile trovareanche nellâopera di Le Gourieres [3], e scegliere lâangolo di incidenza caratterizzato dalla mas-sima finezza, mentre il tipo particolare di profilo dipendera soprattutto dagli sforzi a cui sarasottoposta la pala, dovuti:
ïżœ Alla pura resistenza aerodinamica in condizioni di esercizio (di solito trascurabile comevedremo).
ïżœ Inerziale (proporzionale al peso della pala) dovuto alla forza centrifuga in condizioni diesercizio (di solito il piu importante).
ïżœ Inerziale dovuto ad unâazione di tipo giroscopico durante gli adattamenti ai cambiamentidi direzione del vento e che porta a degli sforzi caratterizzati da un ciclo di fatica allâin-versione durante il cambiamento di direzione a rotore in movimento e proporzionali allavelocita con cui avviene il suddetto cambio di direzione.
36 Il modello ITDG IT-100
Cp ideale (teoria del momento o del disco attuatore) 0.59 (16/27)
Coefficiente di potenza teorico per un infinito numero di pale
Rotore a tre pale Rotore a due pale
Rotore ad una pala
Rotore Darrieus
Mulino olandese
Multipala americano
Rotore Savonius
Velocità adimensionale λ
Coe
ffici
ente
di p
oten
za d
el r
otor
e C
p
Figura 4.5: Grafici dei coefficienti di potenza di vari tipi di rotori al variare della velocitaadimensionale λ = u/v
Per cui il profilo deve garantire una sezione adeguata a sopportare gli sforzi nelle sezionipiu sollecitate (di solito vicino al baricentro della pala) mentre le tecniche costruttive devonogarantire principalmente la leggerezza del prodotto finito, volta a ridurre gli sforzi a cui e sot-toposta la pala e lâeconomicita costruttiva, che costituisce il parametro piu importante tramiteil quale ridurre il tempo di ritorno dellâinvestimento e quindi valutare la convenienza di questotipo di macchine.
Per questo, di solito, la pala viene costruita modellando, in un apposito stampo, della spumadi poliuretano e modellando su di essa degli strati di fibra di vetro o fibra di carbonio uniti daresina epossidica.
E possibile anche simulare il profilo scelto per ricavarne le curve di variazione dei coefficienticon lâangolo di incidenza, tramite il programma âopen sourceâ Xfoil di Drela [11] del M.I.T.,di cui si presenta il tipico tabulato finale prendendo in considerazione un profilo NACA 4412ed un numero di Reynolds di 300 000
4.3 Progetto dellâaeromotore 37
XFOIL Version 6.94
Calculated polar for: NACA 4412
1 1 Reynolds number fixed Mach number fixed
xtrf = 1.000 (top) 1.000 (bottom)
Mach = 0.000 Re = 0.300 e 6 Ncrit = 9.000
alpha CL CD CDp CM Top_Xtr Bot_Xtr
------- -------- --------- --------- -------- ------- -------
0.000 0.4888 0.00814 0.00314 -0.1069 0.7251 1.0000
0.500 0.5394 0.00834 0.00308 -0.1056 0.6976 1.0000
1.000 0.5907 0.00860 0.00308 -0.1045 0.6716 1.0000
1.500 0.6423 0.00887 0.00317 -0.1035 0.6460 1.0000
2.000 0.6944 0.00919 0.00330 -0.1027 0.6229 1.0000
2.500 0.7468 0.00954 0.00349 -0.1019 0.6019 1.0000
3.000 0.7994 0.00990 0.00372 -0.1013 0.5825 1.0000
3.500 0.8521 0.01027 0.00401 -0.1006 0.5642 1.0000
4.000 0.9046 0.01065 0.00433 -0.1000 0.5467 1.0000
4.500 0.9568 0.01103 0.00470 -0.0993 0.5295 1.0000
5.000 1.0085 0.01144 0.00509 -0.0985 0.5122 1.0000
5.500 1.0593 0.01185 0.00550 -0.0976 0.4936 1.0000
6.000 1.1084 0.01228 0.00590 -0.0964 0.4720 1.0000
6.500 1.1562 0.01270 0.00634 -0.0949 0.4484 1.0000
7.000 1.2030 0.01313 0.00683 -0.0933 0.4232 1.0000
7.500 1.2475 0.01367 0.00735 -0.0914 0.3954 1.0000
8.000 1.2892 0.01430 0.00797 -0.0890 0.3603 1.0000
8.500 1.3261 0.01519 0.00877 -0.0859 0.3138 1.0000
9.000 1.3532 0.01660 0.00993 -0.0814 0.2553 1.0000
9.500 1.3681 0.01853 0.01153 -0.0752 0.1891 1.0000
10.000 1.3779 0.02104 0.01370 -0.0690 0.1286 1.0000
10.500 1.3864 0.02383 0.01630 -0.0632 0.0919 1.0000
11.000 1.3960 0.02677 0.01920 -0.0583 0.0726 1.0000
11.500 1.4046 0.03003 0.02254 -0.0541 0.0616 1.0000
12.000 1.4096 0.03390 0.02652 -0.0503 0.0542 1.0000
12.500 1.4112 0.03837 0.03108 -0.0472 0.0487 1.0000
13.000 1.4156 0.04289 0.03580 -0.0449 0.0447 1.0000
13.500 1.4184 0.04781 0.04085 -0.0431 0.0414 1.0000
14.000 1.4143 0.05358 0.04675 -0.0413 0.0387 1.0000
14.500 1.4200 0.05868 0.05206 -0.0405 0.0361 1.0000
15.000 1.4222 0.06425 0.05776 -0.0399 0.0340 1.0000
[...]
dove CL sta per âlift coefficientâ (coefficiente di portanza Cz) e CD per âdrag coefficientâ(coefficiente di resistenza Cx).
I dati risultanti sono stati sintetizzati nella tabella 4.5 con lâindicazione anche dellafinezza = Cz/Cx e della tan Δ = Cx/Cz .
38 Il modello ITDG IT-100
Tabella 4.5: Variazione dei parametri aerodinamici di un profilo NACA 4412, con lâangolo diincidenza (Reynolds = 300 000)
i Cz Cx Finezza tan Δ0 0,48880 0,00814 60,05 0,01665
0,5 0,53940 0,00834 64,68 0,015461 0,59070 0,00860 68,69 0,01456
1,5 0,64230 0,00887 72,41 0,013812 0,69440 0,00919 75,56 0,01323
2,5 0,74680 0,00954 78,28 0,012773 0,79940 0,00990 80,75 0,01238
3,5 0,85210 0,01027 82,97 0,012054 0,90460 0,01065 84,94 0,01177
4,5 0,95680 0,01103 86,75 0,011535 1,00850 0,01144 88,16 0,01134
5,5 1,05930 0,01185 89,39 0,011196 1,10840 0,01228 90,26 0,01108
6,5 1,15620 0,01270 91,04 0,010987 1,20300 0,01313 91,62 0,01091
7,5 1,24750 0,01367 91,26 0,010968 1,28920 0,01430 90,15 0,01109
8,5 1,32610 0,01519 87,3 0,011459 1,35320 0,01660 81,52 0,01227
9,5 1,36810 0,01853 73,83 0,0135410 1,37790 0,02104 65,49 0,01527
10,5 1,38640 0,02383 58,18 0,0171911 1,39600 0,02677 52,15 0,01918
11,5 1,40460 0,03003 46,77 0,0213812 1,40960 0,03390 41,58 0,02405
12,5 1,41120 0,03837 36,78 0,0271913 1,41560 0,04289 33,01 0,03030
13,5 1,41840 0,04781 29,67 0,0337114 1,41430 0,05358 26,4 0,03788
14,5 1,42000 0,05868 24,2 0,0413215 1,42220 0,06425 22,14 0,04518
15,5 1,42230 0,06970 20,41 0,04901
In base a cio, sul profilo scelto, si nota come ottimale (finezza massima) un angolo di inci-denza di 7â caratterizzato da un Cz = 1,20300, per cui in ogni sezione sara, considerando unrotore tripala:
α = I â 7â
Cz p lp
r= 8Ï
(1 â k)(1 + k)(tan I)2 cos I = 1,20300 3 lp
r
da cui e possibile ricavare lâangolo di calettamento effettivo e la lunghezza di corda lp diogni sezione come fatto in tabella 4.6:
A questo punto, proprio per economizzare il processo di costruzione della pala, dopo aververificato che la larghezza di corda al mozzo non sia proibitiva, si possono scegliere delle leggilineari di variazione di calettamento e lunghezza di corda tra la punta ed il mozzo:
4.3 Progetto dellâaeromotore 39
Tabella 4.6: Prospetto dello svergolamento ideale della palar Corda lp Calettamento α
0,15 0,25 33,340,2 0,26 28,320,25 0,25 24,130,3 0,24 20,660,35 0,22 17,770,4 0,21 15,370,45 0,2 13,350,5 0,18 11,630,55 0,17 10,160,6 0,16 8,90,65 0,15 7,80,7 0,14 6,84
lp = 0,277576 â 0,19448r
α = 40,5705 â 48,1924r
che portano alla tabella 4.7:
Tabella 4.7: Prospetto dello svergolamento semplificato della palar Corda lp Calettamento α
0,15 0,25 33,340,2 0,24 30,930,25 0,23 28,520,3 0,22 26,110,35 0,21 23,70,4 0,2 21,290,45 0,19 18,880,5 0,18 16,470,55 0,17 14,060,6 0,16 11,660,65 0,15 9,250,7 0,14 6,84
40 Il modello ITDG IT-100
Figura 4.6: Layout del rotore con svergolamento ideale
Figura 4.7: Layout del rotore con svergolamento semplificato
4.3 Progetto dellâaeromotore 41
Figura 4.8: Pala del rotore con indicazione delle sezioni di calcolo, misure in mm, profiloaerodinamico base NACA 4412.
42 Il modello ITDG IT-100
4.4 Verifica e predeterminazione delle caratteristiche
Come indicato in Le Gourieres [3], e possibile predeterminare le curve caratteristiche del ro-tore progettato prima di costruirlo, dividendo la pala nelle diverse sezioni, per ognuna di esseipotizzando diversi angoli di incidenza e riportando i rispettivi valori di Cz.
Poi con gli stessi dati e possibile calcolare
I = α â i (4.10)
G = (1 â k)(1 + k) = Cz p lp
cos(I â Δ)(8 Ï r cos Δ(sin I)2) (4.11)
k = (1 âG)(1 +G) (4.12)
E = (h â 1)(h + 1) = Cz p lp
sin(I â Δ)4 Ï r cos Δ sin(2 I) (4.13)
h = (1 +E)(1 âE) (4.14)
λ = Rr
(1 + k)(1 + h) cot I (4.15)
fr = (1 â k2) rR
(4.16)
mr = (1 + k)2E cot I ( rR
)2
(4.17)
dove:
- fr e il coefficiente di resistenza (coefficiente della forza in direzione ortogonale allâareaspazzata dal rotore) di ciascuna sezione di pala
- mr e il coefficiente di momento (rispetto allâasse di rotazione del rotore) di ciascuna sezionedi pala
In tabella 4.8 vengono riportati i calcoli relativi alle prime due sezioni (r = 0,15 e r = 0,2)della pala progettata:
4.4 Verifica e predeterminazione delle caratteristiche 43
Tabella 4.8: Foglio di calcolo per la predeterminazione delle caratteristiche di funzionamentodel rotore
pale
3
Lung
hezz
a to
tale
Sez
ioni
0,70
000,
1500
0,15
000,
1500
0,15
000,
1500
0,20
000,
2000
0,20
000,
2000
0,20
001,
0000
1,00
001,
0000
1,00
001,
0000
2,00
002,
0000
2,00
002,
0000
2,00
00r/R
0,21
430,
2143
0,21
430,
2143
0,21
430,
2857
0,28
570,
2857
0,28
570,
2857
alfa
33
,341
633
,341
633
,341
633
,341
633
,341
630
,932
030
,932
030
,932
030
,932
030
,932
00,
2484
0,24
840,
2484
0,24
840,
2484
0,23
870,
2387
0,23
870,
2387
0,23
87i
0,00
001,
9000
4,70
007,
9000
9,90
000,
0000
1,90
004,
7000
7,90
009,
9000
0,26
360,
5088
0,77
641,
0087
1,36
020,
2636
0,50
880,
7764
1,00
871,
3602
0,11
390,
0664
0,05
470,
0557
0,02
640,
1139
0,06
640,
0547
0,05
570,
0264
epsi
lon
6,49
933,
7961
3,13
103,
1856
1,51
236,
4993
3,79
613,
1310
3,18
561,
5123
I = a
lfa +
i33
,341
635
,241
638
,041
641
,241
643
,241
630
,932
032
,832
035
,632
038
,832
040
,832
0
0,15
490,
2583
0,33
190,
3618
0,42
770,
1302
0,21
600,
2752
0,29
740,
3508
k =
(1 â
G)/(
1 +
G)
0,73
180,
5895
0,50
160,
4686
0,40
090,
7696
0,64
470,
5683
0,54
150,
4807
0,05
160,
1116
0,18
120,
2483
0,35
870,
0355
0,07
740,
1257
0,17
170,
2483
h =
(1 +
E)/(
1 â
E)
1,10
881,
2512
1,44
271,
6608
2,11
881,
0735
1,16
781,
2875
1,41
461,
6605
5,82
504,
6637
3,66
622,
9380
2,22
894,
9845
4,11
543,
3478
2,77
592,
2541
0,09
950,
1398
0,16
040,
1672
0,17
990,
1165
0,16
700,
1934
0,20
190,
2197
0,01
080,
0183
0,02
400,
0281
0,03
440,
0151
0,02
650,
0352
0,04
140,
0514
Ris
ulta
tir/R
0,
2142
95,
8250
00,
0995
40,
0107
90,
2857
14,
9844
70,
1165
10,
0151
20,
2142
94,
6637
10,
1398
20,
0183
20,
2857
14,
1153
80,
1669
70,
0264
80,
2142
93,
6662
40,
1603
70,
0239
80,
2857
13,
3477
70,
1934
30,
0352
10,
2142
92,
9379
70,
1672
30,
0280
50,
2857
12,
7758
80,
2019
40,
0413
80,
2142
92,
2288
50,
1798
50,
0343
70,
2857
12,
2540
70,
2197
10,
0514
2
lp
Cz
tg e
psilo
n
G =
(1 â
k)/(
1 +
k) =
C
z p
lp c
os(I-
epsi
lon)
/(8 P
i r c
os
epsi
lon
(sin
I)2
)
E =
(h â
1)/(
h +
1) =
C
z p
lp s
in(I
â ep
silo
n)/(4
Pi r
cos
ep
silo
n si
n (2
I))
λ =
R/r
(1 +
k)/(
1 +
h) c
otg
I fr
= (1
â k
2)r/R
m
r = (1
+ k
)2
E
cotg
I (r/
R)^
2 λ
fr m
r
Con
i ris
ulta
ti ot
tenu
ti Ăš
poss
ibile
ripo
rtare
in u
n gr
afic
o, p
er o
gni v
alor
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l par
amet
ro r/
R le
cur
ve d
i var
iazi
one
dei c
oeff
icie
nti f
r ed
mr i
n fu
nzio
ne d
i λe:
Fig.
5.8
: Cur
ve fr
(λe)
per l
a pa
la p
roge
ttata
, dal
ba
sso
vers
o l'a
lto p
er v
alor
i cre
scen
ti de
l par
amet
ro
r/R
Fig.
5.9
: Cur
ve m
r(λ e
) per
la p
ala
prog
etta
ta, d
al
bass
o ve
rso
l'alto
per
val
ori c
resc
enti
del p
aram
etro
r/
R
da q
uest
e du
e se
rie d
a 12
gra
fici,
inte
rpol
ando
i va
lori
di fr
ed
mr p
er, a
d es
empi
o, 7
val
ori d
i λe,
si p
osso
no
tracc
iare
i gr
afic
i di v
aria
zion
e di
fr e
d m
r con
il p
aram
etro
r/R
per
gli
asse
gnat
i val
ori d
i λ e
.
AER
OG
ENER
ATO
RE
ITD
G IT
-100
CO
OPE
RA
ZIO
NE
INTE
RN
AZI
ON
ALE
Pagi
na 1
7
24
68
10
-0.75
-0.5
-0.25
0.250.5
0.75
24
68
10
0.050.1
0.15
44 Il modello ITDG IT-100
Con i risultati ottenuti e possibile riportare in un grafico, per ogni valore del parametro r/Rle curve di variazione dei coefficienti fr ed mr in funzione di λ come nelle figure 4.9 e 4.10:
ĂŒ nn
2 4 6 8 10
-0.75
-0.5
-0.25
0.25
0.5
0.75
r=0.150.20.250.30.350.40.450.50.550.6
0.65
0.7
Dimensionamento2_2.nb 7
Figura 4.9: Curve fr(λ) per la pala progettata, per diversi valori della distanza r della sezionedallâasse di rotazione
2 4 6 8 10
0.05
0.1
0.15
0.2
r=0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5 0.550.60.65
0.7
Dimensionamento2_2.nb 9
Figura 4.10: Curve mr(λ) per la pala progettata, per diversi valori della distanza r della sezionedallâasse di rotazione
4.4 Verifica e predeterminazione delle caratteristiche 45
da queste due serie da 12 curve, interpolando i valori di fr ed mr per, ad esempio, 7 valori diλ, si possono tracciare i grafici di variazione di fr ed mr con il parametro r/R per gli assegnativalori di λ, come nelle figure 4.11 e 4.12.
0.2 0.4 0.6 0.8
-0.4
-0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
λ=1
23
4
5
6
7
Dimensionamento2_2.nb 8
Figura 4.11: Curve fr(r/R) per la pala progettata, dallâalto verso il basso per diversi valori delparametro λ
0.2 0.4 0.6 0.8
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
λ=1
2
3
4
5
67
Dimensionamento2_2.nb 10
Figura 4.12: Curve mr(r/R) per la pala progettata, dallâalto verso il basso per diversi valori delparametro λ
46 Il modello ITDG IT-100
A questo punto valgono, per il coefficiente di forza assiale e di coppia, le relazioni:
Cf(λ = n) = 2 â â«0
1âŁfr ( r
R)âŁ
l=nd( r
R) (4.18)
Cm(λ = n) = 2 â â«0
1âŁmr ( r
R)âŁ
l=nd( r
R) (4.19)
e dai valori ricavati si puo effettuare una regressione quadratica, usando un programma dimanipolazione algebrica 1, ed ottenere le espressioni approssimate:
Cf = 0,47417203802316904 + 0,24800361344653363 λ â 0,05250127498402179 λ2
Cm = 0,492089958973321 â 0,14342400338658076 λ + 0,010150456367243212 λ2
λ
1 2 3 4 5 6 7
0,2
0,4
0,6
Cf
-0,2
Figura 4.13: Variazione di Cf con λ
1E stato usato il MATEMATHICA della Wolfram Research
4.4 Verifica e predeterminazione delle caratteristiche 47
e quindi sara per il coefficiente di potenza Cp = Cm â λ
Cp
Cm
-0,1
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
1 2 3 4 5
6 7
λ
Figura 4.14: Variazione di Cm e di Cp con λ
A questo punto, tenendo conto che:
λ = u/v = (2 Ï R Ï/60)/ve possibile confrontare, sempre tramite un programma di manipolazione algebrica, il com-
portamento del rotore con quello del generatore elettrico: per degli assegnati valori di Ï siinterpola la potenza fornita dal generatore elettrico ed il relativo rendimento, dalla tabella 4.2,poi tramite la risoluzione, in funzione di v, per gli stessi valori di Ï, dellâequazione 4.20:
P = Cp(λ)1
2Ï Ï R2 v3 = Cp(Ï, v)
1
2Ï Ï R2 v3 = Potdc100
ηdc(4.20)
e possibile riportare su un grafico i valori di potenza prodotta e rendimento con la corri-spondente della velocita del vento come in tabella 4.9:
Tabella 4.9: Relazione tra velocita del vento e potenza prodottaÏ [rpm] Potenza in Velocita del
uscita[W] vento [m/s]100 15,45 4,1150 35,48 5,15200 68,98 6,26250 111,77 7,26300 159,64 8,16350 208,4 8,98400 253,86 9,74450 291,81 10,47500 318,07 11,16
48 Il modello ITDG IT-100
per gli stessi valori di Ï e v e possibile ricavare anche il valore della forza assiale sviluppatatramite lâequazione 4.21 come nella tabella 4.10:
F = Cf(λ)1
2Ï Ï v2 = Cf(Ï, v)
1
2Ï Ï v2 (4.21)
Tabella 4.10: Relazione tra velocita del vento e potenza prodotta con indicazione della resistenzaaerodinamica assiale e della tensione corrispondente
Velocita del Potenza in Tensione [V] Forza assiale Ï [rpm]vento [m/s] uscita [W] [N]
4,10 15,45 2,86 12,03 1005,15 35,48 6,22 19,36 1505,26 38,29 6,55 20,25 1556,26 68,98 9,46 28,72 2007,26 111,77 12,61 38,52 2508,16 159,64 15,65 48,32 3008,98 208,40 18,58 58,00 3509,74 253,86 21,41 67,52 40010,47 291,81 24,14 76,84 45011,16 318,07 26,76 85,96 500
0
50
100
150
200
250
300
350
W
4 6 8 10 12ms
N
Potenza
Forza assiale
Figura 4.15: Curve di potenza e di forza assiale sviluppata in funzione della velocita del vento
4.5 Sistema di orientazione e di protezione 49
ed effettuare una regressione cubica dei punti ricavati per il grafico della curva di potenzain funzione della velocita del vento con lâequazione approssimata 4.22:
P (v) = 263,46730916690285â136,0886427596813 v+21,98953741186957 v2â0,836636894191527 v3
(4.22)ed una regressione quadratica per la curva di forza assiale con lâequazione approssimata
4.23:
F (v) = â7,855916184038649 + 2,648269560841487 v + 0,5185943889563787 v2 (4.23)
Ambedue sono rappresentate in figura 4.15
4.5 Sistema di orientazione e di protezione
Il sistema di orientazione e protezione dellâaerogeneratore descritto in Chiroque-Davila [13], devesostanzialmente sostenere il generatore elettrico in maniera da orientare il piano di rotazionedelle pale, perpendicolarmente alla direzione del vento, ma se il vento supera una certa velocitadeve progressivamente ridurre lâangolo di incidenza del vento sul disco attuatore.
Esistono diverse maniere per implementare una protezione atta allo scopo, ed in questocaso viene scelto un sistema meccanico integrato con il supporto di rotazione dellâaeromotoree lâimpennaggio di orientazione, che ponga progressivamente âin bandieraâ lâaeromotore, ossiatenda a disporre il piano di rotazione delle pale parallelamente alla direzione del vento, ruo-tandolo attorno allâasse verticale. Questa scelta e dovuta al fatto che le masse in gioco nonsono eccessive per cui la stessa resistenza aerodinamica puo effettuare sia lâorientazione che laregolazione.
E costituito sostanzialmente dal pezzo rappresentato in figura 4.16.Tramite esso lâasse di rotazione delle pale risulta sghembo rispetto a quello di rotazione
dellâintero aerogeneratore, mentre lâimpennaggio di coda che serve ad orientarlo e imperniatoa 5â rispetto alla direzione verticale. Questo fa si che il peso proprio dellâimpennaggio tenda amantenerlo in posizione, ma se si applica al rotore una forza assiale eccessiva, mentre lo stessovento mantiene lâimpennaggio in direzione parallela alla sua direzione, lâangolo relativo tra lâassedi rotazione delle pale e lâimpennaggio tende ad aumentare come mostrato nelle figure 4.17 e4.18.
50 Il modello ITDG IT-100
Figura 4.16: Particolare del sostegno del generatore elettrico con indicata la distanza dax tragli assi sghembi di rotazione del piano delle pale (orizzontale) e di rotazione del complesso dellamacchina (verticale), e lâangolo Ξ (misure in mm).
4.5 Sistema di orientazione e di protezione 51
Figura 4.17: Vista laterale del generatore eolico completo con indicazione delle forze agenti.
Figura 4.18: Vista dallâalto del generatore eolico completo con indicazione delle forze agenti.
52 Il modello ITDG IT-100
Abbiamo che la forza che agisce longitudinalmente allâimpennaggio e:
flong =m g sin Ξ
con Ξ angolo del asse del perno di rotazione dellâimpennaggio rispetto alla direzione verticale,mentre la forza tangenziale al cerchio spazzato dallâimpennaggio e:
ftang = sinα flong
e quella normale:
fnorm = cosα flong
Tenendo conto che la forza assiale e data dal flusso della 4.23 attraverso la superficie spazzatadalle pale, inclinata dellâangolo α rispetto alla direzione del vento, il bilancio dei momentifornisce:
ftang dbr + fnorm dperno cos 90â â α = dax fax = dax F (v) cosα
Ora trascurando, per semplicita, la forza normale al braccio dellâimpennaggio a causa dellaridotta lunghezza del braccio su cui agisce abbiamo:
dax F (v) cosα = sinα flongdbr
che fornisce:
tanα = dax F (v)m g sin Ξdbr
α = arctandax F (v)
m g sin Ξdbr(4.24)
Quindi il sistema meccanico di regolazione agira aumentando lâangolo α e riducendo laproiezione della superficie spazzata dalle pale, normale al flusso dâaria, per cui la potenza finalein uscita sara:
Pf = P (v) cos(α) = P (v) cos(arctandax F (v)
m g sin Ξdbr) (4.25)
In questo caso i dati numerici sono:m = 5,5 kg (massa dellâimpennaggio)dax = 0,0234 m (distanza tra gli assi sghembi di rotazione delle pale e di rotazione del tutto)dbr = 0,935 m (distanza del baricentro dellâimpennaggio dal suo perno di rotazione)Ξ = 5â (angolo dellâasse di rotazione del perno rispetto alla verticale)g = 9,8 m/s2 (accellerazione di gravita)quindi se P(v) e approssimata dalla 4.22 ed F(v) dalla 4.23, abbiamo come approssimazione
della curva di potenza finale in uscita, lâequazione 4.26:
Pfin(v) =263,467 â 136,089 v + 21,9895 v2 â 0,836637 v3
â1 + 0,0000283817 (â7,85592 + 2,64827 v + 0,518594 v2)2
(4.26)
4.5 Sistema di orientazione e di protezione 53
8 10 12 14 16 18
50
100
150
200
250
300
m/s
W
Figura 4.19: Rappresentazione grafica della 4.26 che esprime la produzione elettrica in funzionedella velocita del vento per la macchina progettata.
54 Il modello ITDG IT-100
Capitolo 5
Confronto tra la macchinacostruita e quella ri-progettata
A questo punto, dato che il presente lavoro si propone il miglioramento di una macchina giaesistente, ed avendo a disposizione i dati sperimentali delle prove sul campo eseguite sullamacchina in oggetto (fornite da Sanchez et al.[5].), si e ripetuto per essa, il calcolo eseguito aiparagrafi 4.4 e 4.5.
Lâaerogeneratore costruito in Peru dal gruppo ITDG, presenta lo stesso tipo di generatoreelettrico, ma delle pale progettate in maniera diversa, come descritto in Sanchez et al.[2], il cuisvergolamento e descritto in tabella 5.1, mentre lâangolo Ξ di figura 4.16, relativa al sostegnocentrale che fa anche da sistema di protezione per le raffiche di vento forte, e di 4â anziche 5â,determinando un maggiore intervento del sistema di protezione.
Infatti la macchina costruita in Peru, presenta molte problematiche quanto a durata dellepale, quasi tutte imputabili allâalta velocita di rotazione del rotore.
Dalla tabella 5.1, inoltre si evince che il diametro del rotore in questâultimo caso e di 1,70 m,quindi sensibilmente piu grande rispetto alla macchina progettata nel presente lavoro (1,40 m).
Tabella 5.1: Pale âPeru NACA4412â progettate da Teodoro SanchezSezione Raggio Lunghezza Angolo didi pala locale [m] di corda [m] calettamento αâ
1 0,15 0,17 14,52 0,2 0,16 13,63 0,25 0,15 12,74 0,3 0,15 11,85 0,35 0,14 10,96 0,4 0,13 9,97 0,45 0,13 9,18 0,5 0,12 8,29 0,55 0,11 7,310 0,6 0,1 6,311 0,65 0,1 5,412 0,7 0,09 4,513 0,75 0,08 3,614 0,8 0,08 2,715 0,85 0,07 1,8
56 Confronto tra la macchina costruita e quella ri-progettata
Si e ottenuta, per lâespressione del coefficiente di potenza, lâequazione 5.1:
Cpperu = λ (0,31714 â 0,0571611 λ + 0,00233242 λ2) (5.1)
Quindi si e ottenuta la tabella 5.2 e lâequazione 5.2:
Tabella 5.2: Relazione tra velocita del vento e potenza prodotta, calcolata per la macchi-na costruita in Peru, con indicazione della resistenza aerodinamica assiale e della tensionecorrispondente
Velocita del Potenza in Tensione [V] Forza assiale Ï [rpm]vento [m/s] uscita [W] [N]
3,63 15,45 2,86 23,08 1004,52 35,48 6,22 37,54 1505,46 68,98 9,46 56,36 2006,30 111,77 12,61 76,64 2507,05 159,64 15,65 97,73 3007,72 208,40 18,58 119,45 3508,35 253,86 21,41 141,78 4008,94 291,81 24,14 164,73 4509,51 318,07 26,76 188,30 500
Pperu(v) =297,265 â 174,106 v + 31,7811 v2 â 1,38888 v3
â1 + 0,0000443059 (9,04439 â 5,21178 v + 2,52908 v2)2
(5.2)
Che confrontata con i dati sperimentali come in figura 5.1, dimostra la validita della teoriadi Glauert nel prevedere il funzionamento di questo tipo di macchine.
A questo punto nelle figure 5.2 e 5.3 e stato effettuato il confronto tra i due progetti, mo-strando che il progetto di un aerogeneratore con il metodo mostrato al paragrafo 4.3, ancorcheapprossimato da una legge lineare di variazione del calettamento tra il mozzo e la punta del-la pala (per motivi di semplicita costruttiva del manufatto finale), e in grado di aumentaresensibilmente il rendimento complessivo dellâaerogeneratore, rispetto alla potenza teoricamenteottenibile dal limite di Betz (PBetz = 1
21627Ï Ï r2 v3).
Non bisogna dimenticare infatti, che il raggio del rotore progettato nel presente lavoro e piucorto del 17,65% rispetto a quello della macchina originale.
Inoltre dalla figura 5.2 e soprattutto dal confronto tra le tabelle 5.2 e 4.10, ci si rende contoche la macchina quı progettata ruota a delle velocita specifiche molto piu basse: con 9 m/s divelocita del vento (condizioni di progetto) essa ruota a circa 350 rpm mentre il rotore progettatoda Sanchez et al.[2] ruota a circa 450 rpm.
Tutto cio si traduce in una molto minore entita delle forze di tipo inerziale agenti sulle pale,e in minori perdite aerodinamiche.
E inoltre ragionevole pensare che una macchina con meno perdite aerodinamiche risulteraanche molto piu silenziosa ed in generale molto meno impattante nei confronti dellâambientecircostante.
57
8 10 12 14 16 m/s
W
50
100
150
200
Figura 5.1: Confronto tra la curva di potenza teorica calcolata tramite la teoria di Glauert perlâaerogeneratore costruito in Peru, ed i dati sperimentali delle prove sul campo.
1 2 3 4 5
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Cp
λ=u/v
Figura 5.2: Confronto tra il coefficiente di potenza Cp in funzione della velocita adimensionaleλ = u/v calcolato per la macchina progettata (linea continua) e quello calcolato per la macchinacostruita da ITDG-Peru (linea tratteggiata)
58 Confronto tra la macchina costruita e quella ri-progettata
8 10 12 14 16 18
50
100
150
200
250
300
m/s
W
Figura 5.3: Confronto tra la curva di potenza calcolata per la macchina progettata (lineacontinua), quella calcolata per la macchina costruita da ITDG-Peru (linea tratteggiata) ed idati sperimentali della prova sul campo della seconda
Conclusioni
Gli obiettivi preposti dalle specifiche di progetto sono stati raggiunti nel complesso.La ri-progettazione, tramite la teoria di Glauert, del rotore della macchina eolica considerata,
ha permesso di ottenere le stesse prestazioni con un diametro inferiore del 17,65%.La riduzione di lunghezza delle pale si traduce in un notevole alleggerimento delle stesse
rispetto a quelle utilizzate in origine ed ad una notevole riduzione delle forze di tipo inerziale acui sono sottoposte durante lâesercizio.
Il rotore eolico cosı realizzato riesce a funzionare, per le velocita del vento espresse in specifica(4,5 m/s - 10 m/s raggiungendo il massimo a circa 13 m/s), ad un regime di rotazione inferiorerispetto a quello di aerogeneratori di simili prestazioni (dellâordine di circa 500 giri/min a13 m/s), pur mantenendosi a livelli di rendimenti, rispetto alla potenza teoricamente disponibiledal limite di Betz, inferiori rispetto a quelli di questi ultimi.
Cio riduce drasticamente lâentita delle forze di tipo inerziale e garantisce un basso livello dirumore emesso, date le basse velocita in gioco, assicurando il comfort uditivo, pur risentendodi un sistema di frenatura non ottimale.
Uno dei punti di forza di questo lavoro, e lâestrema economicita del progetto, cosa cheviene generalmente giudicata essenziale nel progetto di una macchina eolica, dato che la forzamotrice e gratuita e le uniche voci che entrano nel bilancio per ricavare il tempo di ritornodellâinvestimento, sono quelle relative allâinstallazione ed alla manutenzione.
60 Conclusioni
Ringraziamenti
Desidero ringraziare sentitamente:
Il prof. Josep Ramon Gonzalez Castro della Escola Politecnica Superior dellâUniversi-tat de Girona per i preziosi consigli, lâutilizzo libero del laboratorio di fluidodinamicacomputazionale, e lâenorme raccolta di dati sperimentali.
I ragazzi di Enginyeria Sense Fronteres per lâaiuto ricevuto contro la burocrazia, sia internache esterna.
62 Ringraziamenti
Bibliografia
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