wind energy design ABB

8/10/2019 wind energy design ABB

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Quaderni di applicazione tecnica N.13Impianti eolici


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Indice

Quaderni di Applicazione Tecnica

Introduzione..............................................4

1 Generalit sugli impianti

eolici........................................................... 5

1.1 Fisica e natura del vento .......................... 5

1.2 Il vento come risorsa energetica .............. 6

1.3 Principio di funzionamento di unaerogeneratore ....................................... 10

1.4 Tipi di turbine eoliche ............................. 11 1.4.1 Turbine ad asse verticale - tipo Savonius .....11 1.4.2 Turbine ad asse verticale - tipo Darrieus ......12

1.4.3 Turbine ad asse orizzontale ..........................13

1.5 Caratteristiche degli aerogeneratori ....... 14

1.6 Tipologia degli impianti eolici ................. 161.6.1 Impianti collegati alla rete

di distribuzione .............................................161.6.2 Impianti non collegati alla rete

di distribuzione .............................................17

1.7 Costi dellenergia eolica ......................... 18

1.8 Diffusione delleolico nel mondo,nellUnione Europea e in Italia ................ 19

1.9 Prospettive e tecnologie future .............. 22

2 Principali componenti di un

aerogeneratore.............................24

2.1 Rotore ..................................................... 25 2.1.1 Pale ...............................................................25 2.1.2 Mozzo ...........................................................26

2.2 Moltiplicatore di giri ................................ 26

2.3 Freni .......................................................27

2.4Generatore elettrico................................272.4.1 Generatore asincrono ...................................27

2.4.2 Generatore sincrono .....................................28

2.5 Trasformatore ......................................... 28

2.6 Sistema dimbardata .............................. 28

2.7Torre ........................................................ 29

2.8 Sistemi di controllo e di protezione/

sezionamento........................................29 2.9 Dispositivi ausiliari ................................ 29

3 Teoria delle

turbine eoliche...............................30

3.1 Potenza della vena fluida ....................... 30

3.2 Teoria unidimensionale e legge di Betz .. 31 3.2.1 Coefficiente di potenza Cp............................33 3.2.2 Coefficiente di spinta Cs...............................36

3.3 Analisi aerodinamica della pala .............. 36 3.3.1 Forze di portanza e di resistenza ..................37 3.3.2 Tip Speed Ratio (TSR) ..................................38

4 Producibilit energetica......40

4.1 Distribuzione di Weibull .......................... 40

4.2 Influenza dellaltezza dal suolo ............... 41

4.3 Stima della producibilit energetica ....... 43

5 Sistemi di regolazione...........44

5.1 Modello meccanico della turbina ........... 44

5.2 Controllo della coppia aerodinamica......44

5.3 Strategie di controllo .............................. 45

5.4 Turbine a velocit di rotazione fissa ....... 46 5.4.1 Regolazione passiva dello stallo ..................46 5.4.2 Regolazione passiva dello stallo

a due velocit ...............................................47 5.4.3 Regolazione dellangolo di Pitch ..................47

5.5 Turbine a velocit di rotazionevariabile ..................................................47

5.5.1 Regolazione passiva dello stallo ..................47 5.5.2 Regolazione dellangolo di Pitch ..................48

5.5.3 Turbine a velocit limitatamente variabile.....49

6 Sistemi di generazione.........50

6.1 Aerogeneratori a velocit fissa ............... 50

6.2 Aerogeneratori a velocit variabile ......... 51 6.2.1 Generatore asincrono

con resistore variabile ..................................51 6.2.2 Configurazione doubly-fed ...........................52

6.2.3 Generatore asincrono e convertitore ............536.2.4 Generatore sincrono e convertitore ..............53

Impianti eolici

Segue


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Indice


Impianti eolici

7 Protezione dalle sovracor-

renti e dai guasti a terra......56

7.1 Generalit ............................................... 56

7.2 Protezione dalle sovracorrenti ................ 56 7.2.1 Velocit fissa - Generatore asincrono ...........56 7.2.2 Velocit variabile - Doubly-fed .....................58 7.2.3 Velocit variabile - Full converter..................60

7.3 Protezione dai guasti a terra .................. 65 7.3.1 Componente del generatore.........................65 7.3.2 Componente di rete ......................................67

8 Protezione dalle sovraten-

sioni ..........................................................68

8.1 Generalit ............................................... 68

8.2 Protezione delle pale .............................. 69

8.3 Protezione mozzo/ogiva ......................... 69

8.4 Protezione supporti e sistemiidraulici e di raffreddamento...................69

8.5 Dispersori di terra ................................... 70

8.6 Applicazione del concetto di LPZ(Lightning Protection Zones) ..................70

8.7 Utilizzo degli SPDs ................................. 73 8.7.1 Velocit fissa Generatore asincrono ..........75

8.7.2 Velocit variabile Doubly-fed .....................768.7.3 Velocit variabile Full converter .................76

9 Lenergia eolica nei sistemi

elettrici di potenza.................... 78 9.1 Centrali eoliche ....................................... 78

9.2 Effetti sulla rete delle turbine eoliche ..... 79 9.2.1 Variazione della frequenza ............................80

9.2.2 Variazione della tensione ..............................80

9.3 Qualit della potenza ...............................81 9.3.1 Massima potenza consentita........................81

9.3.2 Massima potenza misurata ..........................819.3.3 Potenza reattiva ............................................819.3.4 Coefficiente di flicker ....................................829.3.5 Coefficiente di flicker a gradino ....................829.3.6 Coefficiente di variazione della tensione ....... 839.3.7 Operazioni di manovra .................................839.3.8 Armoniche ....................................................839.3.9 Controllo della frequenza ..............................83

9.4 Effetti a breve e lungo termine ..................84 9.4.1 Effetti a breve termine ..................................84

9.4.2 Effetti a lungo termine ..................................85

9.5 Requisiti dinamici delle turbine eoliche......85

10 Offerta ABB per applicazioni

eoliche....................................................87

10.1Electrical drivetrain - Velocit fissa -Circuito di potenza ............................... 87

10.1.1 Interruttori automatici ..............................87 10.1.2 Contattori ................................................88 10.1.3 Soluzioni per ridurre la corrente

d'avviamento ...........................................89 10.1.4 Scaricatori di sovratensione ....................90 10.1.5 Manovra e protezione condensatori ........91

10.2Electrical drivetrain - Velocit fissa -Circuito ausiliario principale ................. 92

10.2.1 Interruttori automatici ..............................92

10.3Electrical drivetrain - Doubly-fed -Circuito di potenza ............................... 93

10.3.1 Interruttori automatici ..............................93 10.3.2 Contattori ................................................94 10.3.3 Scaricatori di sovratensione ....................96

10.4Electrical drivetrain - Doubly-fed -Circuito ausiliario principale ................. 97

10.4.1 Interruttori automatici ..............................97

10.5Electrical drivetrain - Doubly-fed -Generatori asincroni.............................98

10.6Electrical drivetrain - Doubly-fed -Convertitori ..........................................98

10.7Electrical drivetrain - Full converter -Circuito di potenza ............................... 99

10.7.1 Interruttori automatici ..............................99 10.7.2 Contattori ............................................. 101 10.7.3 Scaricatori di sovratensione ................. 102

10.8Electrical drivetrain - Full converter -Circuito ausiliario principale ............... 103

10.8.1 Interruttori automatici ........................... 103

10.9Electrical drivetrain - Full converter -Generatori .......................................... 104

10.9.1 Generatori a magneti permanenti ......... 104 10.9.1.1 Generatori ad alta velocit ..... 104

10.9.1.2 Generatori a media velocit ... 104

10.9.1.3 Generatori a bassa velocit.... 104


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10.10Electrical drivetrain - Full converter -Convertitori ......................................105

10.10.1 Convertitori a bassa tensione ......... 105

10.10.2 Convertitori a media tensione ......... 105

10.11Sistema di controllo angolo di Pitch 106 10.11.1 Interruttori automatici scatolati ........ 106

10.11.2 Limitatori di cortocircuito ................. 106

10.11.3 Manual motor starters ..................... 107

10.11.4 Contattori ......................................... 107

10.11.5 Rel di sovraccarico per protezione

motori .............................................. 107

10.11.6 Sistema Smissline ........................... 108

10.11.7 Interruttori automatici modulari ....... 108

10.11.8 Scaricatori di sovratensione ............ 108

10.11.9 Prodotti e rel elettronici .................. 109

10.11.10 Fusibili e portafusibili ..................... 109

10.11.11 Prese modulari ...............................109

10.11.12 Motori ............................................ 109

10.12Sistema di controllo d'imbardata .....110

10.13Controllo principale della turbina .....110

10.13.1 Controllore ....................................... 110 10.13.2 Prodotti ausiliari ...............................111

10.13.3 Protezioni sovraccorenti .................. 111

10.13.4 Protezioni sovratensioni................... 111

10.13.5 Fusibili portafusibili ..........................111

10.13.6 Prese modulari .................................111

10.14Sistemi idraulici e di raffreddamento 112

10.15Sistema di rilevazione arco elettrico 112

10.16Controllori d'isolamento ................... 113

10.17Connessione alla rete ......................11310.17.1 Trasformatori bt/MT ......................... 113

10.17.2 Quadri elettrici ................................. 113

10.17.3 Rel di interfaccia CM-UFS ............. 114

10.17.4 Interruttori automatici modulari ....... 114

10.17.5 Contatori d'energia Delta Max ......... 114

10.18Circuiti ausiliari ................................. 115 10.18.1 Interruttori automatici

modulari S 500 HV .......................... 115 10.18.2 Interruttori differenziali ..................... 115 10.18.3 Controllo della temperatura ............. 116 10.18.4 Sistemi di sicurezza ......................... 116

Appendice A Incentivi economici e valorizzazionedellenergia.......................................................... 117A.1 Quote obbligate e meccanismi

dincentivazione............................................. 117A.2 Certificati Verdi ..............................................118A.3 Tariffe onnicomprensive.................................120A.4 Valorizzazione dellenergia immessa in rete....120 A.4.1 Ritiro dedicato ..................................................... 120 A.4.2 Scambio sul posto .............................................. 121

Appendice B - Connessione alla rete e misuradellenergia.......................................................... 122B.1 Connessione alla rete MT............................... 122 B.1.1 Limiti sulla taglia dei trasformatori ...................... 122 B.1.2 Limiti sulla connessione contemporanea

dei trasformatori .................................................. 122 B.1.3 Dispositivo Generale (DG) ...................................122 B.1.4 Protezioni di Interfaccia (PDI) .............................. 122B.2 Connessione alla rete AT................................ 123 B.2.1 Protezioni contro i guasti esterni ........................ 123 B.2.2 Protezioni contro i guasti interni ......................... 124 B.2.3 Servizi richiesti .................................................... 124

B.2.3.1 Limitazione dei disturbi prodotti ........... 124B.2.3.2 Inserimento graduale della potenza

immessa in rete ....................................124B.2.3.3 Distacco o riduzione della potenza

immessa in rete ....................................124B.2.3.4 Insensibilit agli abbassamenti

di tensione ............................................ 124B.2.3.5 Regolazione della potenza attiva ..........125B.2.3.6 Regolazione della potenza reattiva ....... 125

B.3 Misura dellenergia.........................................125 B.3.1Misura dell energia prodotta ................................125 B.3.2Misura dellenergia immessa

e prelevata dalla rete ........................................... 125Appendice C Impianti di terra........................... 127

C.1 Dimensionamento.......................................... 127C.2 Esempio pratico ............................................127

Appendice D Turbine a resistenza vs turbine aportanza.............................................................. 128


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Impianti eolici

Introduzione

Introduzione

Lenergia eolica ha sempre fornito la forza propulsivaalle navi a vela ed stata usata per azionare i mulini avento. Lutilizzo di questo tipo di energia caduto suc-cessivamente in disuso con la diffusione dellenergiaelettrica e con lestesa disponibilit a basso costo dimotori alimentati da combustibili fossili.Tuttavia la recente attenzione rivolta ai cambiamenticlimatici, lesigenza di incrementare la quota di energiapulita ed i timori di una diminuzione futura della disponi-bilit di petrolio hanno promosso un rinnovato interesseper la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabilie quindi anche dalleolico. Questo tipo di energia, in con-fronto ad altre energie rinnovabili, richiede investimentiinferiori ed utilizza una risorsa naturale generalmentedisponibile ovunque e particolarmente fruibile nelle zonetemperate, dove si trova la maggior parte delle nazioniindustrialmente sviluppate.Durante lultimo decennio del 20 secolo sono stati co-struiti e testati diversi modelli di turbine eoliche: con rotoriad asse verticale e orizzontale, con numero variabile dipale, con il rotore posizionato sopravento o sottoventoalla torre, ecc. La turbina ad asse orizzontale con ro-tore a tre pale sopravento si dimostrata la tipologiausualmente pi idonea e ha avuto di conseguenza unnotevole sviluppo, segnato sia da una rapida crescita in

dimensione e potenza, sia da unampia diffusione.

Questo Quaderno Tecnico intende definire i concetti dibase che caratterizzano lapplicazione ed analizzare leproblematiche che si incontrano nella realizzazione di unimpianto eolico; partendo da una descrizione generale

sulle modalit di sfruttamento dellenergia possedutadal vento mediante gli impianti eolici, vengono descrittele caratteristiche tecniche di un aerogeneratore nel suoinsieme ed i metodi di protezione dalle sovracorrenti, daiguasti a terra e dalle sovratensioni al fine di condurre allascelta appropriata dei dispositivi di manovra e protezionedei diversi componenti dellimpianto.In particolare nella prima parte pi generale vengonodescritti il principio di funzionamento degli impianti eo-lici, la loro tipologia, i principali componenti, i metodi diinstallazione e le diverse configurazioni.Viene inoltre analizzata la produzione energetica di unimpianto e come essa possa variare in funzione di deter-minate grandezze. Nella seconda parte, dopo lillustra-zione delle tecniche di protezione dalle sovracorrenti, daiguasti a terra e dalle sovratensioni, vengono analizzatigli effetti delle turbine eoliche sulla rete elettrica a cuisono allacciate. Infine nella terza parte sono illustrate lesoluzioni che ABB mette a disposizione per applicazionieoliche.A compendio del Quaderno Tecnico sono inoltre presentiquattro appendici. Nelle prime tre si fa riferimento al con-testo italiano ed alle normative, alle delibere ed ai decretiin esso vigenti al momento della stesura. In particolaresi analizzano gli incentivi economici e la valorizzazione

dellenergia prodotta, si forniscono indicazioni sullallac-ciamento alla rete in media ed alta tensione e sulla misuradellenergia e si fornisce un cenno sul dimensionamentodi massima dellimpianto di terra in un aerogeneratorecollegato alla rete MT. Nellultima appendice invece ven-gono confrontate le turbine a resistenza ed a portanza.


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5Impianti eolici

1 Generalit sugli impianti eolici

1Generalitsugliimpia

ntieolici

1.1Fisica e natura del vento

La Terra cede in continuazione allatmosfera il calorericevuto dal Sole, ma non in modo uniforme. Nelle zonein cui viene ceduto meno calore (zone di aria fredda) lapressione dei gas atmosferici aumenta, mentre doveviene rilasciato pi calore, laria si riscalda e la pressionedei gas diminuisce.Si crea pertanto una macrocircolazione dovuta ai moticonvettivi: masse daria si riscaldano, diminuiscono laloro densit e salgono, richiamando aria pi fredda chescorre sulla superficie terrestre.

Questo moto di masse daria calde e fredde producele aree di alta pressione e le aree di bassa pressionestabilmente presenti nellatmosfera, influenzate anchedalla rotazione terrestre (figura 1.1).

1 La deviazione scaturisce dalla rotazione terrestre e dalla conseguente forza apparente diCoriolis. Infatti, ad eccezione che sulla fascia equatoriale, in ogni altro punto del globo, uncorpo in movimento risente delleffetto della rotazione tanto pi sensibilmente quanto pi in prossimit dei poli; in tal modo, laria che si muove verso nord nellemisfero boreale

subisce uno spostamento verso nord-est, mentre se si muove verso sud subisce unospostamento verso sud-ovest.

Figura 1.1

Figura 1.2

Poich latmosfera tende a ripristinare costantementelequilibrio di pressione, laria si muove dalle zone dovela pressione maggiore verso quelle in cui minore.Il vento dunque lo spostamento di una massa daria,

pi o meno veloce, tra zone di diversa pressione.Tanto pi alta la differenza di pressione, tanto pi ve-loce sar lo spostamento daria e quindi tanto pi fortesar il vento.

In realt il vento non spira nella direzione congiungenteil centro dellalta pressione con quello della bassa pres-sione, bens devia nellemisfero boreale verso destra1,circolando attorno ai centri di alta pressione in sensoorario ed attorno a quelli di bassa pressione nel sensoopposto.In pratica, chi volta le spalle al vento trova alla sua sinistralarea di bassa pressione B e alla sua destra quelladi alta pressione A (figura 1.2); nellemisfero australeavviene il contrario.

Su larga scala si pu osservare alle diverse latitudiniuna circolazione di masse daria che viene influenzataciclicamente dalle stagioni; su scala pi piccola, si haun riscaldamento diverso tra la terraferma e le massedacqua, con conseguente formazione delle brezzequotidiane di terra e di mare.

Il profilo e le irregolarit della superficie della terrafermao marina influenzano profondamente il vento e le sue

caratteristiche locali; difatti il vento spira con maggioreintensit su superfici grandi e piatte come il mare: cirappresenta lelemento di principale interesse per gliimpianti eolici costieri o marini.

Il vento inoltre si rafforza sulla sommit delle alture o nellevalli orientate parallelamente alla direzione del vento do-minante, mentre rallenta su superfici irregolari, come citto foreste e la sua velocit rispetto allaltezza dal suolo influenzata dalle condizioni di stabilit atmosferica.


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Impianti eolici


ntieolici

1.2Il vento come risorsa energetica

Per poter sfruttare lenergia eolica, molto importantetenere conto delle forti variazioni di velocit tra localitdiverse: siti distanti tra loro pochi chilometri possonoessere soggetti a condizioni di vento nettamente diffe-renti e rivestire un interesse sostanzialmente diverso aifini dellinstallazione di turbine eoliche.La forza del vento cambia su una scala di giorni, di ore ominuti, a seconda delle condizioni meteorologiche.Inoltre la direzione e lintensit del vento fluttuano rapida-mente intorno al valore medio: si tratta della turbolenza2,

che costituisce una caratteristica importante del vento,poich determina fluttuazioni della forza esercitata sullepale delle turbine, aumentandone cos lusura e ridu-cendone la vita media. Su un terreno complesso il livellodi turbolenza pu variare tra il 15% e il 20%, mentre inmare aperto questo valore pu essere compreso tra il10% e il 14%.La variabilit e laleatoriet del vento rappresentano glisvantaggi preponderanti dellenergia elettrica ricavata dafonte eolica. Infatti, finch la quota di potenza prodottadallimpianto eolico piccola rispetto alle dimensionidella rete elettrica cui connesso, la variabilit della

produzione eolica non destabilizza la rete stessa e pu

essere considerata come una variazione di domanda peri generatori convenzionali.In alcuni paesi si stanno prendendo in considerazioneimpianti eolici di grandi dimensioni, prevalentementegruppi di turbine in alto mare.Tali parchi eolici avranno una potenza di diverse centinaiadi MW, equivalente a quella di impianti convenzionali,e dovranno quindi poter prevedere la loro produzioneenergetica con 24 ore di anticipo; questo perch il ge-store di rete deve poter conoscere in anticipo loffertaprevedibile dei diversi produttori rispetto alla domandadei consumatori.

Quando si prende in considerazione un sito per linstal-lazione di una turbina eolica, fondamentale valutarelentit reale della risorsa eolica.Usualmente si installa quindi nel sito una torre anemome-trica per diversi mesi, in modo da monitorare la velocite la direzione del vento ed i livelli di turbolenza a quotediverse. I dati registrati consentono la valutazione siadella produzione futura di energia, sia della fattibiliteconomica del progetto.

2Lintensit di turbolenza definita, su qualunque intervallo di t empo, come il rapporto trala deviazione standard della velocit del vento e la velocit media stessa. Spesso lintervallo

di tempo caratteristico standardizzato a 10min.

10 m/s1 m/s 2 m/s 3 m/s 4 m/s 5 m/s 6 m/s 7 m/s 8 m/s 9 m/s

Figura 1.3 - Mappa eolica mondiale: velocit media del vento in m/s a 10m daltezza


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7Impianti eolici


ntieolici

Figura 1.4 - Mappa eolica dell'Unione Europea

Risorse del vento a 50 metri sopra il livello del terreno in condizioni topografiche differenti

Terreno riparato

m/s

> 6.0

5.6-6.0

4.5-5.0

3.5-4.5

< 3.5

W/m2

> 250

150-250

100-150

50-100

< 50

Pianure

m/s

> 7.5

6.5-7.5

5.5-6.5

4.5-5.5

< 4.5

W/m2

> 500

300-500

200-300

100-200

< 100

Zone costiere

m/s

> 8.5

7.0-8.5

6.0-7.0

5.0-6.0

< 5.0

W/m2

> 700

400-700

250-400

150-250

< 150

Mare aperto

m/s

> 9.0

8.0-9.0

7.0-8.0

5.5-7.0

< 5.5

W/m2

> 800

600-800

400-600

200-400

< 200

Colline e creste

m/s

> 11.5

10.0-11.5

8.5-10.0

7.0-8.5

< 7.0

W/m2

> 1800

1200-1800

700-1200

400-700

< 400


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Impianti eolici

Velocit media annuadel vento a 25 m s.l.t./s.l.m.

< 3 m/s

da 3 a 4 m/s

da 4 a 5 m/s

da 5 a 6 m/s

da 6 a 7 m/s

da 7 a 8 m/s

Figura 1.5 - Mappa eolica dellItalia1Generalitsugliimpia

ntieolici


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9Impianti eolici

Figura 1.6 - Tabella decibel


ntieolici

Limpatto ambientale sempre stato un grosso disin-centivo allinstallazione di questi impianti. Nella granparte dei casi, infatti, i luoghi pi ventosi risultano esserele cime ed i pendii di rilievi montuosi, dove gli impiantieolici risultano visibili anche da grande distanza, con unimpatto paesaggistico non sempre tollerabile. possibile ridurre gli effetti visivi legati alla presenza delleturbine mediante soluzioni costruttive quali ad esempiolimpiego di colori neutri per favorire lintegrazione nelpaesaggio.Essendo poi il terreno effettivamente occupato dagliaerogeneratori una minima parte del territorio di un par-co eolico, poich la restante parte richiesta solo per

esigenze di distanza tra le turbine per evitare linterfe-renza aerodinamica, possibile continuare ad utilizzareil territorio anche per altri scopi, quali lagricoltura o lapastorizia.Anche il rumore prodotto dalle turbine eoliche va con-siderato con attenzione: tale rumore generato daicomponenti elettromeccanici e soprattutto dai fenomeni

aerodinamici che hanno luogo con la rotazione delle palee che dipendono dalle caratteristiche delle stesse e dallaloro velocit periferica.

Il problema del rumore pu divenire trascurabile qualorasi tengano in considerazione due fattori: il primo che ilrumore percepito in prossimit degli aerogeneratori vienetalvolta attribuito unicamente ai generatori eolici, ma inrealt, in zone ventose ed a qualche centinaia di metri didistanza dai generatori stessi, il rumore di fondo causatodal vento paragonabile a quello creato dalle turbine;il secondo che a breve distanza dagli aerogeneratori,il rumore che si percepisce ha unintensit prossima a

quello cui si sottoposti in situazioni ordinarie vissutequotidianamente, cosicch anche gli operatori che sitrovassero a lavorare allinterno dellarea della centraleeolica sarebbero sottoposti a un disturbo acustico accet-tabile (figura 1.6). In ogni caso, ad una distanza di circa400-500 metri dalla turbina, gli effetti sonori diventanopraticamente trascurabili.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 db

Foglie che cadono

Sussurro

Turbina eolica Rumori domestici

Ufficio

Musica stereo

Interno auto

Rumore industriale

Martello pneumatico Aereo


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Impianti eolici


ntieolici

Inoltre recentemente gli enti preposti al controllo del traffi-co aereo di alcuni paesi hanno sollevato delle perplessitcirca linstallazione dei nuovi impianti eolici, poich sonoin grado di interferire con i radar, i quali non riesconofacilmente ad eliminare gli echi dovuti alle torri eolichea causa della loro elevata RCS (Radar Cross Section)3.Sempre nel campo dei disturbi elettromagnetici, le paleeoliche (specie se in materiali metallici o riflettenti o sedotate di strutture metalliche allinterno) ed i sostegnipossono interferire con i campi elettromagnetici delletelecomunicazioni.Tali interferenze possono essere tuttavia evitate soprat-tutto mediante il ricorso a materiali non metallici nellacostruzione delle turbine.Per quanto riguarda gli effetti dellinstallazione ed eserci-zio di un aerogeneratore sulla flora circostante, non risultadi fatto alcun effetto misurabile dalle esperienze maturatein Paesi con elevata diffusione delleolico.Mentre per la fauna, sono soprattutto gli uccelli ed i pipi-strelli che potrebbero subire gli effetti dovuti alla presenzadelle turbine a causa del rischio di collisione con le pale.Tuttavia alcuni dati riferiti alle centrali eoliche negli StatiUniti e in Spagna hanno evidenziato danni agli uccellicontenuti (da 1 a 6 collisioni per MW installato). Inoltreuno studio condotto in Spagna su un migliaio di turbine

eoliche, ha evidenziato una sorta di evoluzione adatta-tiva degli uccelli stessi con le condizioni ambientali, conuna riduzione del numero di esemplari feriti.

3Il coefficiente di riflessione (Radar Cross Section) una misura di quanto un oggetto sia

rilevabile dal radar, poich quando le onde radar sono emesse verso un oggetto, solo unacerta quantit delle stesse viene riflessa verso la sorgente.Differenti fattori determinano la quantit di radiazione elettromagnetica riflessa, tra cui gli

angoli creati dalle intersezioni dei piani delle superfici delloggetto. Ad esempio, un aereostealth (progettato per essere invisibile ai radar) avr caratteristiche che gli forniranno unbasso RCS, mentre un aereo passeggeri avr un elevato RCS.

1.3Principio di funzionamento di unaerogeneratore

Una turbina eolicaoaerogeneratoretrasforma lenergiacinetica posseduta dal vento in energia elettrica senzalutilizzo di alcun combustibile e passando attraverso lo

stadio di conversione in energia meccanica di rotazioneeffettuato dalle pale.

Le turbine possono essere a portanzao a resistenzain funzione di quale sia la forza generata dal vento esfruttata come forza motrice.Per capire il principio di funzionamento di un aeroge-neratore facciamo riferimento alle turbine attualmentepi diffuse, ossia quelle a portanza; in esse, rispettoa quelle a resistenza, il vento scorre su entrambe le

facce della pala, che presentano profili geometrici dif-ferenti, creando cos in corrispondenza della superficiesuperiore una zona di depressione rispetto alla pressionesulla faccia inferiore4.Questa differenza di pressione produce sulla superficiedella pala eolica una forza chiamataportanza aerodina-

mica(figura 1.7), analogamente a quanto accade per leali degli aerei.

Figura 1.7

La portanza sulle ali di un aereo in grado di sollevarloda terra e di sostenerlo in volo, mentre in un aerogene-ratore, poich le pale sono vincolate a terra, determinala rotazione attorno allasse mozzo.Contemporaneamente si genera una forza di resistenzache si oppone al moto ed perpendicolare alla portan-za. Nelle turbine correttamente progettate, il rapportoportanza-resistenza elevato nel campo del normale

funzionamento.Un aerogeneratore richiede una velocit minima del vento(cut-in) di 3-5 m/s ed eroga la potenza di progetto aduna velocit del vento di 12-14 m/s. A velocit elevate,generalmente superiori a 25 m/s (cut-off) la turbina vienearrestata dal sistema frenante per ragioni di sicurezza.Il blocco pu avvenire con veri e propri freni meccaniciche arrestano il rotore o, per le pale ad inclinazionevariabile nascondendo le stesse al vento mettendolenella cosiddetta posizione a bandiera5.

4Il profilo alare della pala eolica determina una velocit differente della vena fluida che

lambisce la superficie superiore rispetto alla velocit della vena fluida che scorre lungo lasuperficie inferiore. Tale differenza di velocit allorigine della variazione di pressione.

5Posizione in cui la corda del profilo della pala parallela allalbero del rotore con il bordodattacco rivolto nella direzione del vento. In tal posizione il carico aerodinamico sulle

pale viene ridotto al minimo.

Rotazione

Flusso del vento

Portanza

Resistenza


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11Impianti eolici


ntieolici

I principali vantaggi degli impianti eolici possono rias-sumersi in: generazione distribuita;

conversione efciente dellenergia eolica in energia

elettrica (rendimento teorico del 59%);

assenza di emissione di sostanze inquinanti;

risparmio di combustibili fossili;

ridotti costi di esercizio (non ci sono costi per lap-provvigionamento del combustibile) e di manuten-zione;

facile smantellamento degli aerogeneratori a ne

vita (20/25 anni);

la capacit di produzione dellaerogeneratore varia

da poche centinaia di W ad alcuni MW, venendoincontro alle esigenze sia delle singole abitazioni,sia delluso industriale o dellimmissione in rete(tramite centrali eoliche).

1.4Tipi di turbine eoliche

Le turbine eoliche possono essere suddivise in base allatecnologia costruttiva in due macro-famiglie: turbine ad asse verticale - VAWT (Vertical Axis Wind

Turbine);

turbine ad asse orizzontale HAWT (Horizontal AxisWind Turbine).

A loro volta le turbine VAWT, che costituiscono l1% delleturbine attualmente in uso, si suddividono in: turbine di tipo Savonius;

turbine di tipo Darrieus;

turbine ibride Darrieus-Savonius.

Mentre le turbine HAWT, che costituiscono il 99% delleturbine attualmente in uso, si distinguono in: turbine sopravento (upwind);

turbine sottovento (downwind).

Delle turbine ad asse orizzontale, circa il 99% di quelleinstallate a tre pale mentre l1% a due pale.

1.4.1 Turbine ad asse verticale - tipo Savonius

il modello di turbina pi semplice e si compone di due(o quattro) lamiere verticali, senza profilo alare e curvatea semicirconferenza (figura 1.8).

anche denominata turbina a resistenza poich lacoppia motrice sullasse determinata dalla differenza diresistenza (attrito) offerta al vento dalle superfici verticalidisposte simmetricamente rispetto allasse stesso.

Figura 1.8 - Turbina tipo Savonius

Le principali caratteristiche della turbina Savoniussono: turbina lenta6;

basso valore di efcienza;

utilizzabile per bassi valori di velocit del vento e

per un range limitato;

necessit di un adeguato controllo della velocit

per mantenere lefficienza entro valori accettabili;

impossibilit di ridurre la supercie aerodinamica

in caso di velocit superiore a quella nominale acausa delle pale fisse;

necessit di un dispositivo meccanico frenante per

la fermata;

necessit di una struttura robusta per resistere a

venti estremi (data lelevata superficie delle paleesposta);

adatta solo per applicazioni di piccola potenza;

poco rumorosa.

6 La distinzione tra turbine lente e veloci effettuata in base al valore della velocittangenziale periferica allestremit delle pale.


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Impianti eolici

1.4.2 Turbine ad asse verticale - tipo DarrieusSono turbine ad asse verticale ed a portanzapoich lesuperfici disposte al vento possiedono un profilo alare ingrado di generare una distribuzione di pressione lungo lapala e quindi una coppia disponibile allasse di rotazione(figura 1.9).


ntieolici

Figura 1.9 - Turbina tipo Darrieus

Figura 1.10 - Turbina ibrida Darrieus-Savonius

Rispetto alla turbina a resistenza Savonius, quellaDarrieus (e tutte le turbine a portanza) offrono delle ef-ficienze maggiori perch riducono le perdite per attrito.

Tuttavia la turbina Darrieus non in grado di avviarsiautonomamente in quanto, indipendentemente dallavelocit del vento, la coppia davviamento nulla: taletipo di turbina necessita pertanto di un dispositivo au-

siliario; nella turbina ibrida Darrieus-Savonius la coppiadavviamento offerta dalla turbina Savonius coassialeed interna alla turbina Darrieus (figura 1.10).

Le principali caratteristiche della turbina Darrieus sono: turbina veloce;

efcienza ridotta rispetto alla turbine ad asse oriz-zontale, anche perch gran parte della superficiedelle pale ruota in prossimit dellasse ad una

velocit bassa; adattabilit alla variazione di direzione del vento; efcace per venti con componente verticale della

velocit rilevante (siti su pendii o per installazionesui tetti degli edifici effetto spigolo);

utilizzabile per bassi valori di velocit del vento e

per un range limitato; necessit di un adeguato controllo della velocit per

mantenere lefficienza entro valori accettabili; impossibilit di ridurre la supercie aerodinamica in

caso di velocit superiore a quella nominale a causadelle pale fisse;

necessit di un dispositivo meccanico frenante per

la fermata; necessit di una struttura non eccessivamente ro-

busta per resistere a venti estremi (data la minoresuperficie delle pale esposta al vento rispetto allaturbina Savonius);

utilizzabile per applicazioni di grande potenza7; poco rumorosa e con vibrazioni limitate alle fonda-

zioni, adatta quindi per installazioni sugli edifici; in grado di operare anche con venti turbolenti;

moltiplicatore di giri e generatore elettrico possono

essere posizionati a livello del suolo; elevate uttuazioni della coppia meccanica motri-

ce.7La pi grande turbina eolica ad asse verticale installata in Canada con una potenzadi 4.2MW.


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13Impianti eolici


ntieolici

Figura 1.12 - Turbine a tre pale

Figura 1.13 - Turbina a due pale

Figura 1.14 - Turbine a singola pala munite di contrappeso

Figura 1.15 - Turbina multipala

Figura 1.11

1.4.3 Turbine ad asse orizzontaleLe turbine ad asse orizzontale sopravento, cos chiamateperch il vento incontra prima il rotore rispetto alla torre,hanno unefficienza maggiore rispetto a quelle sotto-vento, poich non vi sono interferenze aerodinamichecon la torre.Per contro presentano lo svantaggio di non essere autoallineanti rispetto alla direzione del vento e necessitanoquindi di una pinna direzionale o di un sistema dimbar-data8.Le turbine ad asse orizzontale sottovento risentono de-gli effetti negativi dellinterazione torre-rotore, ma sono

intrinsecamente autoallineanti ed hanno la possibilit diutilizzare un rotore flessibile per resistere ai venti forti(figura 1.11).

8Orientamento libero tramite palette di coda nella turbine eoliche piccole o orientamentoattivo elettricamente a seguito di un segnale dal segnavento nelle turbine di potenzapi elevata.

La turbina eolica ad asse orizzontale a tre pale (figura1.12) il modello pi diffuso, tuttavia esitono modelli adue pale (figura 1.13), a singola pala munita di contrap-peso (figura 1.14), attualmente in disuso e multipala,questultima utilizzata soprattutto nel microeolico (figura1.15).

Direzionedel vento

Sopravento conpinna direzionale

Sottovento senzapinna direzionale

Direzionedel vento


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Impianti eolici

Poich la velocit di rotazione diminuisce al crescere delnumero di pale (mentre la coppia aumenta), i rotori a duepale devono ruotare pi velocemente rispetto a quelli atre pale (numero di giri caratteristico 40 giri/min rispetto ai30 giri/min dei tripala) con la conseguenza che il rumoreaerodinamico maggiore.Inoltre un rotore a due pale soggetto a squilibri dovutialla variazione del vento causate dallaltezza, a effettigiroscopici quando la navicella viene imbardata ed ha unmomento dinerzia variabile e minore quando le pale sonoverticali rispetto a quando sono orizzontali. Per ovviarea ci generalmente provvisto di un mozzo oscillanteche gli consente di equilibrare la spinta asimmetrica sulrotore.Tuttavia il rotore a due pale ha un peso minore e quinditutte le strutture di supporto possono essere meno mas-sicce con una conseguente riduzione dei costi. Inoltrelimpatto visivo ed il rumore sono meno determinanti nelleinstallazioni off-shore, che, uniti a costi minori, rendonoappetibili i rotori bi-pala per tali applicazioni.Nella tabella 1.1 vengono messe a confronto le principalicaratteristiche di una turbina a due o tre pale.

Tabella 1.1

Tabella 1.2 - Parametri della velocit del vento per le classi di turbine eoliche2 PALE 3 PALE

Minor costo del rotore(peso minore)

Maggior bilanciamento delle forzeaerodinamiche

Maggiore rumorosit(velocit periferica maggiore)

Maggiore stabilit meccanica (forzegiroscopiche bilanciate)

Installazione pi semplice(assemblaggio a terra della torre)

Coppia motrice pi uniforme

Maggiore complessit diprogettazione (necessitdi un mozzo oscillante)

Visivamente meno impattante

1.5Caratteristiche degli aerogeneratori

Volendo fare una distinzione in base alla potenza degliaerogeneratori si hanno impianti cos classificabili: micro-eoliciper potenze inferiore a 20kW e costitu-

ito da impianti destinati principalmente allalimen-tazione di utenze domestiche;

mini-eoliciper potenze tra 20 e 200kW con impiantiprevalentemente destinati alla produzione e venditadellenergia elettrica;

eoliciper potenze superiori a 200kW e prevalen-temente costituiti da parchi eolici per limmissionedellenergia prodotta nella rete di trasmissione.

Ogni aerogeneratore ha un funzionamento caratterizzatoda precisi valori di velocit, riferite a diverse fasi: Velocit di avvio- il rotore inizia a girare e lalter-

natore produce una tensione, che aumenta conlaumento della velocit del vento; Velocit di cut-in(2-4 m/s) - quando la tensione

abbastanza elevata da essere utilizzabile nellap-plicazione specifica, allora viene davvero prodottaenergia e si attiva lintero circuito, che diventa ilcarico dellaerogeneratore;

Velocit nominale(10 - 14 m/s) - la velocit allaquale viene prodotta la potenza nominale;

Velocit di cut-off(20 25 m/s) - la velocit delvento oltre la quale il rotore deve essere fermatoper evitare danni alla macchina; il sistema di con-trollo che interviene adeguatamente, con opportunisistemi attivi o passivi.

Una turbina eolica deve poter sopportare la peggioretempesta che possa aver luogo nel sito di installazione,durante lintera vita del progetto. Se la turbina rimaneinstallata per 20 anni, la raffica estrema che si considera quella che si ripresenta in media ogni 50 anni. La tabella1.2 (CEI EN 61400-1) riproduce le diverse classi di turbineeoliche in funzione della velocit Vref

9 che la velocitdel vento di riferimento media su 10 minuti10.

Classe di aerogeneratori I II III S

Vref (m/s) 50 42.5 37.5

Valori specificati dalprogettista

A Iref(-) 0.16

B Iref(-) 0.14

C Iref(-) 0.16

Dove: V

ref la velocit del vento di riferimento media su10 min;

A indica la categoria con caratteristiche di turbo-lenza superiori;

B indica la categoria con caratteristiche di turbo-

lenza medie; C indica la categoria con caratteristiche di turbo-

lenza inferiori; Iref il valore atteso dellintensit della turbolenza a

15 m/s.

Una turbina eolica deve inoltre essere progettata perfunzionare con temperature ambiente che variano da-10C a +40C in condizioni normali e da -20C a +50Cin condizioni ambientali estreme (CEI EN 61400-1)

9Un aerogeneratore progettato per una classe con una velocit del vento di riferimentoV

ref dimensionato per resistere a climi per cui il valore estremo della velocit del vento

media su 10 min, allaltezza del mozzo dellaerogeneratore e con un periodo di ricorrenzadi 50 anni, inferiore o uguale a V

ref.

10La norma CEI EN 61400-1 definisce unulteriore classe di aerogeneratori, la classe S, dautilizzare quando il progettista e/o il cliente segnalano condizioni del vento o altre condizioniesterne speciali, oppure richiedono una classe di sicurezza speciale.


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15Impianti eolici

Le principali opzioni nella progettazione e costruzione diun aerogeneratore comprendono: il numero di pale (usualmente due o tre);

orientamento del rotore (sopravento o sottoven-to);

materiale costituente le pale, metodo di costruzione

e profilo delle stesse; progettazione del mozzo: rigido, basculante o in-

cernierato; controllo della potenza meccanica tramite controllo

aerodinamico (controllo di stallo) o attraverso palead angolatura variabile (controllo dellangolo diPitch);

rotore a velocit ssa o variabile;

orientamento libero o tramite controllo attivo;

generatore sincrono o asincrono (con rotore a

gabbia di scoiattolo o rotore avvolto Doubly-fedInduction Generator (DFIG));

con moltiplicatore di giri o direttamente calettato

allalbero del generatore,

Fino a qualche tempo fa, la taglia di aerogeneratore pidiffusa era compresa fra 600 e 850kW, con rotore gene-ralmente munito di tre pale, con diametro fra 40 e 55m

ed unaltezza del mozzo dal terreno di circa 50m.

Negli ultimi tempi, in Italia come nellEuropa settentrio-nale, si cominciato ad installare turbine con potenze da1.5 a 3MW, con rotore sempre a tre pale, con diametri fra70 e 90m ed unaltezza del mozzo di circa 100m.

Gli aerogeneratori di piccola taglia comprendono inveceanche le turbine ad asse verticale, con unit da pochedecine di W a qualche kW per impieghi isolati o connessialla rete ma per alimentazione di utenze domestiche.Come aerogeneratori di grossa taglia, esistono invece

gi turbine da 5-6 MW, con rotori di diametro fra 120 e130m, tipicamente impiegati negli impianti off-shore. Lapotenza massima della singola turbina attualmente incommercio di 8 MW, ma sono in progetto turbine da10 MW con diametri del rotore da 160m.

Linteresse per gli impianti off-shore dato dal fatto checonsentono di sfruttare venti di intensit maggiore e re-golare e con un minor impatto visivo. Inoltre, mentre laproducibilit annua di un impianto on-shore dellordinedi 1500-2500 MWh/MW, quella di un impianto off-shore dellordine di 3000-3500 MWh/MW11.

Con le tecnologie disponibili per linstallazione delleturbine eoliche fissate sul fondo marino, possono es-sere sfruttate aree off-shore con acque profonde fino a30-40m.Per profondit superiori si ricorre agli aerogeneratorigalleggianti in fase di sperimentazione. Tuttavia i parchieolici off-shore comportano un investimento superiore ri-spetto agli impianti on-shore per i maggiori costi derivantidalle fondazioni subacquee e dallinstallazione in mare;tale investimento si aggira intorno ai 2800-3000 /kWcontro i 1800-2000/kW degli impianti di grossa tagliasu terraferma. Pi elevati sono i costi dinvestimento pergli impianti di piccola taglia (mini-eolici), che possonoarrivare a 2500-4000 /kW.

La suddivisione dellinvestimento di un impianto eolico mediamente del 70% per gli aerogeneratori e del 30%per la parte rimanente (fondazioni, installazione, infra-strutture elettriche...).

La vita di esercizio degli impianti eolici stimata in cir-ca 30 anni, anche se usualmente gi dopo i 20 anni, acausa della progressiva diminuzione della produzioneenergetica causata dallinvecchiamento degli elementidellaerogeneratore, i parchi eolici vengono messi in

dismissione.

11 Lefficienza nellutilizzo di una turbina in un sito specifico viene valutata spesso intermini di rapporto tra lenergia totale annua prodotta (kWh) e la potenza nominale dellaturbina(kW). Il quoziente rappresenta il numero equivalente di ore/anno di produzione

alla potenza nominale.

Potenza nominale 4.5 MW

Numero di pale 3

Diametro del rotore 120 m

Controlloinclinazione della pala

e velocit variabile

Lunghezza della pala 58 m

Corda massima della pala 5 m

Massa di una pala 18 t

Massa della gondola con rotore a pala 220 t

Massa della torre (struttura tubolare in acciaio) 220 t

Altezza della torre(in dipendenza dalle condizioni locali del vento)

90-120 m

Diametro della torre alla base 5.5 m

Velocit di rotazione del rotore 9-15 giri/min

Rapporto del moltiplicatore di giri 100-1

Velocit del vento di avviamento della turbina 4 m/s

Velocit del vento nominale 12 m/s

Velocit del vento di arresto della turbina 25 m/s

Tabella 1.3 Esempio di caratteristiche di una turbina eolica


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1.6 Tipologia degli impianti eolici1.6.1 Impianti collegati alla rete di distribuzioneTali impianti si possono distinguere in impianti a singoloaerogeneratore (collegato alla rete con o senza utenzedi tipo domestico o industriale in parallelo) e in impiantistrutturati come parchi eolici.

I primi, se in presenza di utenze in parallelo, utilizzano larete come serbatoio in cui riversare lenergia prodotta ineccesso e non autoconsumata dallimpianto utilizzatoredellutente e da cui prelevare energia qualora la turbinaeolica non sia in grado di sopperire al fabbisogno ener-getico dellimpianto utilizzatore in situazioni di velocitdel vento ridotta.I parchi eolici sono invece gruppi di pi turbine eolicheinterconnesse funzionanti come una centrale di produ-zione di energia elettrica connessa alla rete.Le turbine devono in questo caso essere posizionate sulterreno a debita distanza luna dallaltra, al fine di evitarelinterferenza aerodinamica, che avrebbe due principaliconseguenze: la prima correlata allaumento della turbo-lenza e la seconda legata alle perdite di potenza.La distanza tra gli aerogeneratori espressa solitamentein diametri della turbina; linterspaziatura ottima si aggira

tra 8-12 volte il diametro del rotore lungo la direzione delvento e tra 2-4 volte il diametro del rotore trasversalmentealla direzione del vento.Le turbine dei parchi eolici possono essere posizionatesia sulla terra ferma (on-shore - figura 1.16) che in mareaperto (off-shore - figura 1.17).

Figura 1.16

Figura 1.18

Figura 1.17

Nelle installazioni off-shore, i costi sono pi elevati, malaumento compensato dallincremento di produzionedi almeno il 30%. Inoltre i parchi eolici in mare apertorichiedono un numero elevato di grandi aerogeneratoricon potenze fino a 5-6MW ciascuno in modo da com-pensare gli alti costi di installazione, di connessione allarete a terra e di monitoraggio da remoto. La tecnologiaimpiegata attualmente per gli impianti off-shore simile aquella degli impianti on-shore, tuttavia le turbine eolichein mare aperto devono essere progettate tenendo conto

anche delle seguenti problematiche: le onde causano usura e carico aggiuntivi sulla

struttura che possono essere superiori a quelliprovocati dal vento;

le caratteristiche meccaniche del fondale spesso

non sono eccelse e di conseguenza le fondazionidevono essere di dimensioni maggiori;

il momento dei carichi applicati al rotore esercitato

sul fondo incrementato dalla lunghezza aggiuntivadella torre sommersa.

Le strutture di supporto per gli aerogeneratori off-shore

possono essere di diversi tipi (figura 1.18).


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17Impianti eolici


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Figura 1.19

In acque basse le turbine possono essere vincolate apiastre di cemento posizionate sul fondo.Se la profondit non supera i 20m, la struttura un tubodacciaio conficcato nel fondale fino ad una profonditidonea a trasferire i carichi al terreno.

Tale tipo di fondazione, sebbene sia il pi economico, limitatamente utilizzato per il rischio di avere le frequen-ze di risonanza entro lintervallo di frequenze forzatedalla rotazione del rotore e dalle onde. La frequenzadi risonanza decresce con la lunghezza della strutturaed aumenta con il suo diametro. In acque profonde ildiametro del pilone diventa improponibile e si utilizzanoquindi delle strutture a treppiedi, realizzate con elementisaldati insieme ed ancorate al fondale con pali ad ogniangolo o con delle ancore a ventosa a seconda dellecaratteristiche del fondale.Le turbine eoliche off-shore devono essere molto affidabiliper limitare il pi possibile le operazioni di manutenzione:si giustifica pertanto la ridondanza per alcuni componentie si adotta di routine il monitoraggio da remoto tramitesensori posti nelle parti pi critiche.

Tali turbine sono inoltre progettate per resistere allam-biente marino; difatti le strutture sottomarine sono pro-

tette contro la corrosione mediante protezione catodica,mentre le parti in aria sono verniciate adeguatamente.Lisolamento delle parti elettriche rinforzato e lariaallinterno della navicella e della torre viene condizionataper evitare laccumulo di condensa.

Per profondit marine elevate, superiore a 50 m, lanco-raggio sul fondo marino non pi efficiente e si passaagli aerogeneratori galleggianti, che sono tuttora in fasedi studio (figura 1.19).

1.6.2 Impianti non collegati alla rete didistribuzioneTali impianti si possono distinguere in impianti per singoleutenze isolate e in impianti per reti autonome.

Per le utenze isolate, che non possibile o convenienteraggiungere con la rete pubblica per gli elevati costi o perimpedimenti tecnici e dove la risorsa vento sufficiente(indicativamente con una velocit media annua >6m/s),lenergia eolica pu costituire unalternativa affidabile edeconomica per alimentare utenze domestiche.

Gli impianti eolici per utenze singole devono essere dotatidi un sistema di accumulo che garantisce lerogazione dienergia anche in condizioni scarsamente ventose.Le reti autonome alimentate da fonte eolica costituisconouna promettente applicazione.La fornitura di energia elettrica a utenze con una richiestaelevata e lontane dalla rete di trasmissione nazionale vie-ne generalmente effettuata mediante generatori alimentatida combustibili fossili, ma una soluzione costosa acausa degli alti costi di fornitura e manutenzione, oltreallaspetto ambientale dellinquinamento. il tipico caso delle isole medio-piccole, anche consi-derato che queste offrono certamente buoni potenziali

eolici.

La soluzione ideale sarebbe il ricorso a sistemi ibridi,utilizzando energia eolica (o altre fonti rinnovabili) inaggiunta alla fonte tradizionale e risultando piuttostoeconomica nel caso di connessione a reti decentrate dipotenza dellordine dei MW.

Un sistema eolico-diesel usualmente costituito daturbine di taglia medio-piccola associate ad un sistemadi accumulo e connesse ad una rete in bassa o mediatensione, impiegando il generatore diesel per garantire la

continuit della fornitura dellenergia elettrica.

Il costo per kWh maggiore che nelle installazionecon grandi turbine, ma quasi sempre inferiore rispettoalla produzione con soli motori diesel, dipendendo inquestultimo caso anche dai costi di approvvigionamentodel combustibile.


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Impianti eolici


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1.7Costi dellenergia eolica

Lenergia eolica pu essere considerata, specie se pro-dotta in centrali eoliche multi MW, unenergia efficientein termini di costi, di impatto ambientale e di tempi diritorno dellinvestimento (3-5 anni).

Difatti come si pu osservare dalla tabella 1.4, lenergiaprodotta da grossi impianti eolici ha costi dinvestimentoe di produzione (onnicomprensivi della manutenzione, delcombustibile e del personale) paragonabili a quelli di unacentrale termoelettrica tradizionale a carbone.

Inoltre dalla tabella 1.5 si pu notare che lenergia eolicacomporta costi delle esternalit12inferiori a quelli dellecentrali elettriche tradizionali.

Va infine considerato che per ogni kWh di energia eolicaprodotta viene evitata limmissione in atmosfera di unadeterminata quantit di sostanze inquinati ed a effettoserra come indicato nella tabella 1.6.

12Costi che non rientrano nel prezzo di mercato e che non ricadono n sul produttore, nsul consumatore, ma sono globalmente imposti alla societ.

Costi dellenergia

Tipo dimpianto Costo dinvestimento /kWh Costo dellenergia prodotta/kWh

Impianto eolico multi-MW 1000 2200 0.04 0.08

Centrale termoelettrica a carbone 1000 1350 0.05 0.09

Centrale termoelettrica a gas 500 - 700 0.03 0.04

Tabella 1.4

Tabella 1.5

Tabella 1.6

Costi delle esternalit

Fonte Carbone Petrolio Gas Nucleare FV Biomasse Idroelettrico Eolico

C/kWh 20 - 15 3 - 11 1 - 3 0.2 0.7 0.6 0.08 0.3 0.3 - 1 0.05 0.25

Tipo di sostanza kg/kWh

Biossido di carbonio (CO2) 0.675

Ossidi di azoto (NOx) 0.0015

Biossido di zolfo (SO2) 0.0014


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Figura 1.20

1.8Diffusione delleolico nel mondo, nellUnioneEuropea e in Italia

Nel mondo a fine 2009 la potenza eolica installata hasfiorato i 160000 MW con una crescita complessiva del233% dal 2004, mentre a fine 2010 la potenza eolica haraggiunto i 194000 MW (fonte GWEC).NellUnione Europea si sono superati i 73000 MW instal-lati a fine 2009 con un incremento del 114% rispetto al2004, mentre a fine 2010 la potenza eolica ha raggiuntogli 84000 MW, di cui quasi 3000 MW in installazioni eo-liche off-shore (fonte EWEA).

In Italia a fine 2009 si sono sfiorati i 5000 MW di potenzainstallata con un aumento del 335% dal 2004, mentrenel 2010 si sono raggiunti i 5800 MW (figura 1.20). Laproduzione energetica da fonte eolica stata nel 2010in italia di circa 8.3 GWh su un totale di energia richiestanell'anno di circa 326 TWh.In particolare, nellUnione Europea, la Germania il paesecon pi impianti installati con una potenza complessiva dioltre 25000 MW, seguita dalla Spagna con pi di 19000MW e dallItalia e Francia. Come si pu notare dalla figura1.21, queste 4 nazioni rappresentano il 74% degli oltre73000 MW di potenza eolica installata nellUE.

6000

5500

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

02004 2005 2006 2007 2008 2009

4898

3538

2714

1902

1635

1127

MW ITALIA

2010

5800

90000

80000

70000

60000

50000

40000

30000

20000

10000

0

MW EUROPA 15

34246

40301

47644

55054

63850

73242

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

84000

200000

180000

160000

140000

120000

100000

80000

60000

40000

20000

0

MW MONDO

4762059084

74051

94864

121000

158553

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

194000


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Impianti eolici


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Figura 1.21

Gli impianti eolici installati in Italia a fine 2009 sono 294con oltre 4200 turbine eoliche. La potenza complessiva di quasi 5000 MW13, con una produzione energetica nellostesso anno di oltre 6000 GWh14e con un numero di oreequivalenti di utilizzazione del parco eolico complessivonazionale pari a circa 1300.

13In Italia fabbisogno medio di circa 38.5 GW di potenza elettrica lorda istantanea (36.4GW di potenza elettrica netta istantanea). Tali valori oscillano tra la notte e il giorno media-

mente da 22 a 50 GW, con punte minime e massime rispettivamente di 18.8 e 51.8 GW.Tali valori hanno tuttavia risentono della riduzione della richiesta di energia riscontrata negli

anni 2008 e (maggiormente) 2009 a causa della crisi economica internazionale; il picco dellapotenza richiesta si difatti avuto nel 2007 con la punta massima di 56.82 GW.

19149

Spagna

Portogallo

3535

Francia

4482

Italia

4598Grecia

1087

Austria

996

Germania

27777Belgio

583

Paesi Bassi

2229

Regno Unito

4051Irlanda1260

35Lussemburgo

Svezia

1560

Finlandia

145

14L'Italia nel 2009 ha avuto consumi per circa 338 TWh di energia elettrica. Tale dato ilcosiddetto "consumo o fabbisogno nazionale lordo" e indica l'energia elettrica necessaria

per far funzionare qualsiasi impianto o mezzo che abbisogni di energia elettrica. Tale dato la somma dei valori indicati ai morsetti dei generatori elettrici di ogni singolo impianto di

produzione e il saldo degli scambi con l'estero. Tale misura effettuata prima di uneven-tuale detrazione di energia per alimentare le stazioni di pompaggio e non considerando

gli autoconsumi delle centrali.

Del totale degli impianti installati il 36% ha una potenzanominale compresa tra 1MW e 10MW, mentre il 56%hanno una potenza superiore ai 10MW. In particolare dal2000 al 2009 la taglia media della potenza degli impiantieolici cresciuta da 6.6 a 16.7MW.


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21Impianti eolici


ntieolici

Figura 1.22 Figura 1.23

Gli impianti eolici installati sono concentrati soprattuttonelle regioni del Sud Italia: la Puglia, Campania e Siciliarappresentano insieme il 60% del numero totale degliimpianti eolici sul territorio nazionale.Nelle regioni del Nord Italia, la Liguria ne possiede ilmaggior numero con il 3.1% del totale; le regioni dellIta-lia centrale si attestano ai livelli delle regioni del Nord(figura 1.22).Sempre nelle regioni meridionali installata il 98% dellapotenza eolica complessiva nazionale, di cui la Puglia e la

Sicilia detengono il primato rispettivamente con il 23.5%ed il 23.4%, seguite dalla Campania con il 16.3% e dallaSardegna con il 12.4% (figura 1.23).Le regioni del Nord e del Centro hanno in generale unadimensione media degli impianti eolici ridotta, pari a 4.3MW, partendo dal Veneto con 0.4 MW, passando per i9 MW della Toscana ed arrivando ai 12.5 MW dellunicoimpianto installato in Piemonte. Nel Sud la dimensionemedia di 19 MW e si passa dai 9.5 MW dellAbruzzo aicirca 23 MW delle Isole fino ai 34.1 MW della Calabria.

V.DAostaLombardia

FriuliVeneziaGiulia

Marche

TrentinoAlto Adige

0.7%

Piemonte0.3%

Emilia Romagna1.0%

Umbria0.3%

Veneto1.4%

Liguria 3.1%

Toscana1.4%

Lazio1.4%

Abruzzo6.8%

Molise6.1%

Basilicata4.4%

Calabria4.4%

Sardegna9.2%

Puglia24.5%

Campania18.4%

Sicilia16.7%

Assente 0.1 - 1.0 % 1.1 - 2.0 % 2.1 - 5.0 % 5.1 - 10.0 % 10.1 - 25.0 %

Suddivisione per classe percentuale del numero di impianti

V.DAostaLombardia

FriuliVeneziaGiulia

Marche

TrentinoAlto Adige

0.06%

Piemonte0.26%

Emilia Romagna0.33%

Umbria0.03%

Veneto0.03%

Liguria 0.04%

Toscana0.74%

Lazio0.18%

Abruzzo3.89%

Molise4.84%

Basilicata4.65%

Calabria9.05%

Sardegna12.38%

Puglia23.52%

Campania16.28%

Sicilia23.44%

Assente 0.01 - 1.00 % 1.01 - 5.00 % 5.01 - 10.00 % 10.01 - 20.00 % 20.01 - 25.00 %

Suddivisione per classe percentuale della potenza installata


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Impianti eolici

Figura 1.24 - Previsione della potenza eolica totale installata

Figura 1.25 - Incremento annuale della potenza eolica installata

1.9Prospettive e tecnologie future

Su scala mondiale, utilizzando lenergia eolica si potrebbeentro il 2020 produrre il 12% del fabbisogno globale dienergia elettrica ed il 20% di quello europeo, raggiun-gendo solo con questa fonte rinnovabile gli obiettivi postidallUnione Europea.Si prevede infatti un forte sviluppo del settore eolico chepotrebbe raggiungere nel 2013 una potenza installata alivello europeo di pi di 140 GW e a livello mondiale di343 GW (figura 1.24) con livelli di crescita annuali rap-presentati in figura 1.25.

In molti paesi del nord Europa molto considerata lasoluzione di installare parchi eolici off-shore per supplirealla mancanza di vasti spazi disponibili on-shore, per su-perare le problematiche ambientali e per sfruttare regimidi venti pi elevati e regolari.A titolo desempio, in Gran Bretagna in corso di ap-provazione il progetto dellimpianto eolico off-shore pigrande del mondo con una potenza di 1 GW.Il governo italiano, nel suo position papersulle energierinnovabili emesso il 10/09/2007 in riferimento al pianodazione dellUnione Europea, ha prospettato un poten-ziale eolico disponibile in Italia nel 2020 pari a 12 GW di

potenza installata, di cui 10 GW sulla terraferma e 2 GWin mare aperto (in acque basse fino a 30m di profondit


ntieolici

160000140000120000100000

80000

600004000020000

0Europa USA Asia Resto del mondo

2008 (121000 MW) 2013 (343000 MW)

MW

1990 1995 2000 2008 2013

Europa USA Asia Resto del mondo Esistente

10000

0

20000

30000

40000

50000

60000MW

ed intermedie fino a 60m), con una produzione annuacomplessiva stimata di 22.6 TWh e con un incrementodi potenza annuale installata di circa 800 MW.Per gli impianti off-shore si avrebbe un altro potenzialedi 2-4 GW in acque profonde oltre 60m, per le quali,tuttavia, allo stato attuale non sono ancora disponibilitecnologie di sfruttamento commercialmente utilizzabili(impianti eolici galleggianti).Per gli impianti on-shore le stime sono state fatte facendoriferimento a turbine di potenza 600-850kW (ossia conaltezza al mozzo di 50m).Con laumento delle potenze degli aerogeneratori, che

negli impianti terrestri ha raggiunto potenze di 3 MW (conaltezze al mozzo di 75-100m), il potenziale di sviluppopotrebbe rivelarsi in qualche misura sottostimato. Inveceper il potenziale off-shore, i dati disponibili di ventositsono pi incerti e quindi sono possibili solo valutazionidi massima.

Dal punto di vista della tecnologia costruttiva, allo stu-dio un nuovo modello di turbina off-shore denominato

Aerogeneratore Xche dovrebbe avere unaltezza di 130me unapertura di 275m, con una potenza nominale di 10MW e fino anche a 20 MW (figura 1.26). Inizier ad essere

prodotto dal 2013-2014, terminati i test che si stannoeffettuando su di esso.

Il design innovativo presenta una struttura a V ed paragonato ad un seme di sicomoro, che cade a terra aspirale proprio grazie ad ali a V. una tecnologia ad asse verticale il che consente lo sfrut-tamento del vento da qualsiasi direzione esso soffi.Presenta il vantaggio di concentrare la maggior partedel peso della turbina alla base piuttosto che a livellodel mozzo delle turbine ad asse orizzontale. Inoltre lepale non risentono della continua sollecitazione a fatica

dovuta alla rotazione e quindi possono essere costruitein forma pi snella in comparazione ad una turbina tri-pala di uguale potenza.

Figura 1.26


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23Impianti eolici


ntieoliciFigura 1.27

Ruota ad una velocit di circa 3 giri/min ed ha indicativa-mente met del peso di equivalente turbina tradizionale.Anche laltezza complessiva risulta significativamenteridotta, con la conseguente riduzione della sua visibilita distanza.Pogger su di una piattaforma semi-sommersa cheriprende le tecnologie utilizzate per lestrazione di gas epetrolio off-shore con ancoraggio assicurato da cavi sufondali fino a 150m.Si mira anche a produrre impianti eolici di concezionerivoluzionaria con potenze elevate, anche fino a 1000MW, che captano lenergia del vento dalta quota tramitegrandi aquiloni controllati.Infatti con il progetto italiano KiteGen si sfruttano aquilonidella superficie di decine di metri quadrati, in grado dilevarsi in volo anche sospinti da leggere brezze e mano-vrabili da terra con una coppia di funi che ne regolano ladirezione di volo e lassetto rispetto al vento.La forza esercitata sui cavi degli aquiloni, posti a 500-600m di altitudine, pu essere impiegata per la generazionedi energia elettrica.Il KiteGen (figura 1.27) pu essere visto come una grandegiostra vincolata al suolo, costituita da una struttura disupporto centrale che sostiene lunghi bracci allestremitdei quali sono fissati i cavi di collegamento in materiale

composito che trasmettono la trazione e contempora-neamente controllano direzione ed angolo al vento degliaquiloni.Anche se la proiezione dellarea occupata dai bracci ,nel caso considerato, pari ad un chilometro quadrato, lasuperficie coperta resta destinabile ad usi agricoli o allanavigazione nel caso di impianti off-shore.

Un altro sistema prevede una sorta di yo-yo: un aqui-lone sospinto verticalmente da ventilatori fino ad unaquota in cui cominci ad auto-sostenersi (circa 80 m) persalire poi fino ad 800 m.Durante tale salita, attraverso le funi di comando, laqui-lone aziona generatori elettrici anche da 3MW.Raggiunti gli 800 m, tirando dapprima una sola fune sipone laquilone in scivolata daria come fosse unabandiera, quindi ritirando velocemente le funi quasisenza dispendio denergia si riporta laquilone ad unaquota di circa 400m pronto per una successiva salita epoi ridiscesa in modo ciclico.


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Impianti eolici

2Principalicomponent

idiunaerogeneratore

2 Principali componenti di un aerogeneratore

Al fine di sfruttare lenergia cinetica contenuta nel ven-to, convertendola in energia elettrica disponibile perlimmissione in rete o per lalimentazione di carichi inparallelo, una turbina eolica utilizza diversi componentisia meccanici che elettrici. In particolare il rotore (pale emozzo) estrae lenergia dal vento convertendola in ener-gia meccanica di rotazione e costituisce il motore primodellaerogeneratore, mentre la conversione dellenergiameccanica in elettrica effettuata da un generatoreelettrico secondo opportune configurazioni che sarannoillustrate nei capitoli seguenti.

In sintesi, i principali componenti che costituiscono unaerogeneratore ad asse orizzontale sono (figura 2.1): 1. pala; 2. supporto della pala; 3. attuatore dellangolo di Pitch; 4. mozzo; 5. ogiva; 6. supporto principale; 7. albero principale; 8. luci di segnalazione aerea; 9. moltiplicatore di giri; 10. dispositivi idraulici di raffreddamento; 11. freni meccanici;

12. generatore; 13. convertitore di potenza e dispositivi elettrici di

controllo, di protezione e sezionamento; 14. trasformatore; 15. anemometri; 16. struttura della navicella; 17. torre di sostegno; 18. organo di azionamento per limbardata.

Figura 2.1

Figura 2.2 - Costo in percentuale dei componenti di una turbina eolica

Il convertitore ed il trasformatore possono essere inse-riti direttamente nella navicella come illustrato in figura2.1, oppure essere posizionato alla basse della torre.Linstallazione del trasformatore nella navicella consenteun bilanciamento del peso del rotore, mentre il posizio-namento alla base permetta di ridurre le dimensioni edil peso della navicella.

In termini di costi, la percentuale sul costo totale deidiversi componenti si suddivide come indicato in figura2.2.

1

2

345

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1617

18

Componenti vari 16% Rotore 22%

Moltiplicatoredi giri 13%

Assemblaggio 11%

Convertitore 5%

Trasformatore 4%

Generatore 3%

Torre 26%


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idiunaerogeneratore

Figura 2.3

2.1Rotore

2.1.1 PaleLe pale sono i componenti interagenti con il vento esono progettate con un profilo tale da massimizzarelefficienza aerodinamica. In figura 2.3 rappresenta laforma tipica di una pala e le sue sezioni trasversali: lapala si avvolge con un angolo complessivo di circa 25tra linizio e lestremit.Poich le forze aerodinamiche variano col quadrato dellavelocit relativa, crescono rapidamente con la distanzadal mozzo ed quindi importante progettare la porzionedella pala vicino allestremit al fine di avere una buonaportanza ed una bassa resistenza aerodinamica.La sezione della pala piuttosto elevata per ottenerelelevata rigidit necessaria per resistere ai carichi mec-canici variabili agenti nel normale funzionamento checontribuiscono a determinare lusura della pala stessa.Il vento infatti esercita una forza non costante, sia perle fluttuazioni dovute alla turbolenza, sia per la maggiorvelocit in funzione dellaltitudine; inoltre, durante larotazione, una pala collocata in posizione elevata sot-toposta a un vento pi intenso rispetto ad una collocatapi in basso, con conseguenti fluttuazioni di carico che

si ripetono ad ogni rotazione; infine la forza centrifugadovuta alla rotazione esercita una trazione sulle diversesezioni della pala ed il peso della pala stessa crea un

momento flettente sulla base in modo alternato ad ognirotazione.Le pale sono realizzate con materiali leggeri, quali imateriali plastici rinforzati in fibra, con buone proprietdi resistenza allusura. Le fibre sono in genere di vetroo alluminio per le pale di aerogeneratori medio-piccoli,mentre per le pale pi grandi vengono utilizzate le fibredi carbonio nelle parti in cui si manifestano i carichi picritici.Le fibre sono inglobate in una matrice di poliestere,resina epossidica o a base di vinilestere costituenti duegusci uniti insieme e rinforzati da una matrice interna.La superficie esterna della pala viene ricoperta con

uno strato levigato di gel colorato, al fine di prevenirelinvecchiamento del materiale composito a causa dellaradiazione ultravioletta.In funzione della tecnologia impiegata dal costruttore,le pale possono essere dotate di elementi aggiuntivi,quali i regolatori di stallo per stabilizzare il flusso daria, igeneratori di vortice per aumentare la portanza o alettedestremit per ridurre la perdita di portanza e il rumore.Poich la principale causa di avaria rappresentata daifulmini, viene adottata una protezione attraverso linstal-lazione di conduttori, sia sulla superficie che allinternodella pala (vedi capitolo 8).

Le pale e il mozzo centrale (che insieme costituiscono ilrotore) sono montati sulla navicella tramite unappositaflangia di cuscinetti.


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idiunaerogeneratore

2.1.2MozzoIl mozzo in una turbina eolica il componente che con-nette le pale allalbero principale trasmettendo ad essola potenza estratta dal vento ed ingloba i meccanismi diregolazione dellangolo di Pitch.Il mozzo solitamente di acciaio o di ferro a grafite sfe-roidale ed protetto esternamente da un involucro diforma ovale chiamato ogiva.Ci sono tre tipi principali di mozzo (figura 2.4): rigido;

oscillante (teetering);

per pale incernierate.

Il mozzo rigido progettato per mantenere le principaliparti che lo costituiscono in posizione fissa rispettoallalbero principale. Langolo di Pitch delle pale pucomunque essere variato, ma non consentito alcunaltro movimento. di fatto il tipo pi utilizzato nei rotori a tre o pi pale.

Il mozzo rigido deve possedere una robustezza tale dasopportare i carichi dinamici trasmessi dalle pale e dovutialle operazioni dimbardata.Il mozzo oscillante utilizzato in quasi tutte le turbine adue pale ed invece progettato per ridurre i carichi ae-rodinamici sbilanciati trasmessi allalbero tipici dei rotoribipala, consentendo al rotore di oscillare di alcuni gradirispetto alla direzione perpendicolare allasse di rotazionedellalbero principale.Il mozzo oscillante stato principalmente abbinato aturbine con angolo di Pitch fisso1, ma pu anche essereutilizzato su turbine ad angolo variabile.

Anche la progettazione del sistema di regolazione di1Per la definizione di angolo di Pitch di una pala eolica si veda il capitolo seguente.

Pitch pi complessa poich i relativi meccanismi equadri elettrici di manovra/protezione si trovano sullaparte mobile rispetto allalbero principale.

Infine il mozzo per pale incernierate , per certi versi, unavia di mezzo tra i primi due modelli ed di fatto un mozzorigido con vincoli a cerniera per le pale ed utilizzato dalleturbine sottovento per ridurre i carichi eccessivi durantei forti venti.

Figura 2.4

Figura 2.5

2.2Moltiplicatore di giri

Spesso viene posto sullalbero di trasmissione un molti-plicatore di giri ad uno o pi stadi tra il rotore che estraeenergia cinetica dal vento e la converte in energia mec-canica di rotazione ed il generatore elettrico che convertelenergia meccanica disponibile in energia elettrica.Il moltiplicatore di giri ha lo scopo di incrementare lavelocit di rotazione del rotore per adattarla ai valoririchiesti dai generatori convenzionali2(in alcune turbineil rapporto del moltiplicatore pu superare 1:100). Ilmoltiplicatore di giri formato da una o pi coppie diingranaggi di tipo epicicloidale o ad assi paralleli ad unoo pi stadi (figura 2.5).Lo sviluppo negli ultimi anni di alternatori con interpostoun convertitore ha reso possibile la costruzione di alcunimodelli di aerogeneratori privi di moltiplicatore.Difatti questultimo una sorgente di rumore ed uno deglielementi che richiede maggior manutenzione e che pucausare perdite di efficienza dellaerogeneratore.Pertanto lassenza del moltiplicatore comporta unasemplificazione rilevante della parte meccanica e con-sente una riduzione della dimensione e della massa dellanavicella.

2In alcuni casi il moltiplicatore di giri ingloba anche i cuscinetti di supporto dellalbero ditrasmissione, specie nelle turbine in cui lalbero di trasmissione sia di lunghezza limitata.

Rigido Incernierato Oscillante


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27Impianti eolici

Disco

Pinze


idiunaerogeneratore

Figura 2.6

2.3Freni

Quasi tutte le turbine montano dei freni meccanici lungolalbero di trasmissione, in aggiunta al freno aerodina-mico. In molti casi i freni meccanici sono in grado diarrestare il rotore in condizioni meteorologiche avverse,oltre che svolgere la funzione di freni di stazionamentoper impedire che il rotore si ponga in rotazione quandola turbina non in servizio.Comunemente sono due i tipi di freni meccanici utiliz-zati:

freni a disco;

freni a frizione.

I freni a disco funzionano in modo simile a quelli delleautomobili: un disco metallico fissato allalbero chedeve essere frenato.Durante la fase di frenamento delle pinze ad aziona-mento idraulico premono delle pastiglie contro il disco,creando una coppia frenante opposta a quella motrice(figura 2.6).

I freni a frizione consistono in almeno un piatto di pres-sione ed un piatto di frizione.Lazionamento di questo tipo di freni normalmenteattuato attraverso delle molle che esercitano unoppor-tuna pressione, mentre vengono rilasciati mediante ariacompressa o un fluido idraulico.I freni meccanici possono essere posizionati sia sul latoa bassa velocit, sia su quello ad alta velocit del mol-tiplicatore di giri.

Tuttavia occorre tener presente che se installati sul lato abassa velocit devono essere in grado di esercitare unacoppia frenante maggiore, mentre se installati sul latoad alta velocit agiscono necessariamente attraverso il

moltiplicatore di giri velocizzando potenzialmente il suoinvecchiamento ed inoltre, nel caso in cui il moltiplicatoresia guasto i freni sul lato alta velocit potrebbero essereesclusi e non in grado di frenare il rotore.Inoltre la qualit del materiale dei dischi del freno montatisullalbero ad alta velocit pi critica per lintensit delleforze centrifughe che si sviluppano.I freni progettati per arrestare il rotore devono esserein grado di esercitare una coppia frenante maggiore diquella massima che ci si aspetta sia originata dal rotore,con tempi di arresto solitamente inferiori a 5s ed in gradodi funzionare anche in caso di guasto alla loro alimenta-

zione di energia esterna.Devono inoltre essere in grado di mantenere il rotorenella posizione di arresto completo per le condizioni divento definite per almeno 1 ora dalla loro attivazione(IEC 61400-1).

2.4Generatore elettrico

2.4.1Generatore asincrono essenzialmente un motore trifase ad induzione carat-terizzato da una velocit di sincronismo che dipende dalnumero di poli e dalla frequenza di rete.

Se la coppia meccanica agente sullalbero rotore motrice anzich resistente e fa aumentare la velocit dirotazione fino a superare la velocit di sincronismo, lamacchina elettrica asincrona passa dal funzionamentocome motore a quello come generatore immettendoenergia elettrica in rete.La differenza relativa tra la velocit di sincronismo e lavelocit effettiva di rotazione chiamata scorrimento (s)che nel funzionamento da generatore diventa quindi ne-gativo. Nei generatori asincroni usuali con rotore a gabbiadi scoiattolo (rotore in cortocircuito), lo scorrimento dicirca l1% cosicch tali dispositivi sono di fatto consi-derati a velocit di rotazione costante3.

La corrente di magnetizzazione dello statore, la qualecrea il campo magnetico rotante al traferro, fornita dallarete stessa. Inoltre tale generatore consuma una certaquantit di potenza reattiva, la quale deve essere fornitada sistemi compensatori quali i condensatori.Quando una raffica di vento colpisce una turbina eolicadotata di un generatore asincrono a rotore in cortocir-cuito, poich la velocit di rotazione costante, si hauna repentina variazione della coppia e la conseguenterapida variazione della potenza erogata; se la potenza dicortocircuito della rete a cui laerogeneratore connesso

3La velocit di rotazione dellalbero principale varia da zero alla velocit nominale didimensionamento in funzione della velocit del vento incidente, ma non pu esserecontrollata e variata volontariamente da un sistema di controllo come accade per i sistemi

a velocit variabile.


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Impianti eolici


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bassa, possono pertanto verificarsi delle fluttuazioni ditensione sui dispositivi elettrici collegati in prossimit,fluttuazioni che possono creare malfunzionamenti deidispositivi stessi.Inoltre si pu assistere alla variazione rapida del flussoluminoso emesso dalle lampade elettriche, che generaquel fastidioso sfarfallio noto come flicker. Anche pertale motivo la ricerca si spinta verso la realizzazionedi sistemi a velocit variabile che consentono inoltre diridurre gli strappi di coppia sul rotore e di far funzionarelo stesso nel punto di massima efficienza aerodinamicasu un ampio range di velocit del vento4.Soluzioni a velocit variabile realizzate con generatoriad induzione si realizzano interponendo tra lo statore

del generatore con rotore gabbia di scoiattolo e la reteun convertitore di frequenza o utilizzando un generatoreasincrono a rotore avvolto ad anelli il cui rotore alimen-tato da una corrente alternata indipendente, fornita daun convertitore di frequenza: in tal modo la velocit disincronismo funzione della differenza tra la frequenzadi rete e la frequenza della corrente rotorica. Si pu rag-giungere cos una variazione di velocit del 30%.

4Per una data velocit del vento si pu variare la velocit di rotazione al fine di massimizzarelefficienza aerodinamica delle pale (si veda il capitolo seguente):

2.4.2 Generatore sincrono

In questo tipo di generatore, chiamato anche alternato-re, il rotore costituito da un elettromagnete a correntecontinua o da magneti permanenti. La frequenza dellatensione indotta sullo statore (e quindi della correnteprodotta) direttamente proporzionale alla velocit dirotazione del rotore.Per consentire un funzionamento a velocit variabile,si interpone tra alternatore e rete un convertitore di fre-quenza che trasforma dapprima la corrente a frequenzavariabile (in funzione della velocit del rotore e quindidel vento) in uscita dal generatore in corrente continuamediante un raddrizzatore elettronico e successivamente

riconverte la corrente continua in corrente alternata afrequenza di rete tramite un inverter.Cos facendo si svincola la frequenza della corrente ge-nerata dalla frequenza di rete, il che pu portare ancheallabolizione del moltiplicatore di giri.Grazie al motore sincrono ed al convertitore di frequenza,quando la forza del vento aumenta improvvisamente, ilrotore lasciato libero di accelerare per alcuni secondi:lincremento di velocit di rotazione accumula energiacinetica nel rotore stesso e consente unerogazionecostante di potenza.Viceversa quando il vento cala, lenergia immagazzinatanel rotore viene rilasciata nel rallentamento del rotore

stesso.

2.5 Trasformatore

La potenza elettrica in uscita dal generatore gene-ralmente in bassa tensione e deve essere convertita inmedia tensione attraverso un trasformatore per ridurrele perdite di trasmissione mediante lallacciamento allarete di distribuzione in media tensione.Il trasformatore installato nella navicella o alla basedella torre.I cavi elettrici di collegamento tra la navicella e la basedella torre formano un anello al di sotto della navicellastessa al fine di consentire i movimenti dimbardata.Tali movimenti vengono monitorati e, se la rotazione

eccessiva, la gondola viene imbardata in senso oppostoper evitare laggrovigliamento dei cavi.Tali cavi devono avere una lunghezza maggiorata tale daconsentire allaerogeneratore di effettuare fino a tre giricompleti per lallineamento.

2.6Sistema dimbardata

La navicella viene fatta ruotare sulla sommit della torreda un sistema di controllo dimbardata e di movimen-tazione attivo costituito da attuatori elettrici e relativiriduttori (figura 2.7), per far s che il rotore sia sempretrasversale al vento.La direzione e velocit del vento vengono monitoraticontinuativamente da sensori collegati sul tetto dellanavicella.In genere il rotore viene posizionato secondo la direzio-ne media del vento, calcolati sui 10min dal sistema dicontrollo della turbina.Figura 2.7

Per le turbine ad asse orizzontale con rotore sottoventonon sono necessari sistemi dimbardata, poich la turbinasi auto orienta intrinsecamente seguendo la direzione delvento come una banderuola.Le turbine sopravento hanno invece o una pinna po-steriore dorientamento (turbine medio-piccole) o uncontrollo attivo dimbardata, pertanto la torre di sostegno

deve essere adeguatamente dimensionata anche perresistere ai carichi torsionali risultanti dalluso di sistemidimbardata.


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29Impianti eolici


idiunaerogeneratore

Figura 2.9

Figura 2.8

2.7Torre

Sono due i principali tipi di torri utilizzate per le turbinead asse orizzontale (figura 2.8): a traliccio; tubolari.

Torre a traliccio Torre tubolare

Le prime turbine eoliche erano installate su torri a traliccioed erano usualmente utilizzate fino alla met degli anni80. Le turbine odierne sono per la maggior parte di tipo

tubolare perch presentano diversi vantaggi rispettoa quelle a traliccio: in particolare le torri tubolari nonnecessitano di numerose connessioni tramite bulloniche devono poi essere controllate periodicamente; for-niscono unarea protetta per laccesso alla turbina e lasalita sulla navicella pi sicura ed agevole tramite scalainterna o ascensore nelle turbine pi grandi; i

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