UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA Anno Accademico 2006/2007 ESAME DI PRINCIPI DI INGEGNERIA ELETTRICA LS Prof. Negrini

1. UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA Anno Accademico 2006/2007 ESAME DI PRINCIPI DI INGEGNERIA ELETTRICA LS Prof. Negrini Francesco IMPIANTI DI PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA MEDIANTE GENERATORI EOLICI E MICRO-EOLICI

2. Oltre l’80% dell’energia utilizzata nel mondo viene prodotta bruciando combustibili fossili, quali petrolio, carbone e metano. È ormai accertato che proprio negli impianti in cui si utilizzano combustibili fossili si generano quei gas inquinanti che, una volta immessi nell’atmosfera, danneggiano l’ambiente. Lo scenario energetico

3. Uno sviluppo sostenibile Per fronteggiare i diversi problemi ambientali è necessario adottare un modello di sviluppo sostenibile per conciliare la crescente domanda di energia, e quindi il crescente consumo di combustibili fossili, con la salvaguardia dell’ambiente. L’unica soluzione possibile è comunque la DECARBONIZZAZIONE DELL’ENERGIA

4. IMPEGNO ALLA DECARBONIZZAZIONE l’uso più esteso delle FONTI DI ENERGIA RINNOVABILI, in quanto sono in grado di garantire un impatto ambientale più contenuto di quello prodotto dalle fonti fossili. Tra le fonti rinnovabili, l’impiego dell’energia eolica per la produzione di energia elettrica è ormai una realtà consolidata, e rappresenta un caso di successo tra le nuove fonti rinnovabili.

5. Le fonti rinnovabili di energia Le fonti “rinnovabili” di energia sono quelle fonti che, a differenza dei combustibili fossili e nucleari destinati ad esaurirsi in un tempo definito, possono essere considerate inesauribili. Sono fonti rinnovabili di energia l’energia solare e quelle che da essa derivano: • l’energia idraulica, • del vento, • delle biomasse, • delle onde e delle correnti, • l’energia geotermica, • l’energia dissipata sulle coste dalle maree, • i rifiuti industriali e urbani. Con opportune tecnologie è possibile convertire queste fonti in energia termica, elettrica, meccanica o chimica.

6. VANTAGGI Rinnovamento della disponibilità in tempi brevi Inquinamento ambientale trascurabile non provoca effetti irreversibili sull’ambiente e il ripristino delle aree utilizzate non ha costi eccessivi LIMITI Forniscono energia in modo intermittente (soprattutto eolico e solare) Il loro utilizzo può contribuire a ridurre i consumi di combustibile nelle centrali convenzionali, ma non può sostituirle completamente. per produrre quantità significative di energia, spesso è necessario impegnare rilevanti estensioni di territorio Le caratteristiche delle fonti rinnovabili

7. La nascita delle fonti rinnovabili 1973 - Paesi arabi produttori di petrolio aumentarono improvvisamente il suo prezzo + nel mondo della ricerca crebbe la consapevolezza della esauribilità dei combustibili fossili. si diffusero i termini di risorse “alternative” e “rinnovabili”: ALTERNATIVE all’idea che l’energia potesse prodursi solo facendo bruciare qualcosa RINNOVABILI nel senso che, almeno virtualmente, non si potessero mai esaurire.

8. La situazione oggi Oggi, l’utilizzo delle fonti rinnovabili di energia è ormai una realtà consolidata e il loro impiego per la produzione di energia è in continuo aumento. Questo è reso possibile non solo dal continuo sviluppo tecnologico, ma soprattutto perché gli Stati hanno attribuito a tali fonti un ruolo sempre più strategico nelle scelte di politica energetica, sia nel tentativo di ridurre la dipendenza economica e politica dai paesi fornitori di combustibili fossili, sia per far fronte alla loro esauribilità e alle diverse emergenze ambientali.

9. Il contributo delle fonti di energia rinnovabile nel mondo Nel 1996 le fonti rinnovabili hanno contribuito per circa il 17% al soddisfacimento del fabbisogno di energia elettrica mondiale; nell’Unione Europea il dato scende a circa il 6%, mentre in Italia se si includono i grandi impianti idroelettrici è di circa il 20%.

10. Il contributo delle fonti rinnovabili in Italia Il fabbisogno energetico nazionale è di circa 173 Mtep/anno. • oltre l’80% viene soddisfatto con fonti fossili importate. • Il contributo delle fonti rinnovabili, se si escludono i grandi impianti idroelettrici, è del 7,4%, pari a circa 12,8 Mtep di cui: • 9,5 Mtep sono prodotti dai piccoli impianti idroelettrici, • 1 Mtep da impianti geotermici • circa 2,15 Mtep dall’uso domestico delle biomasse per la produzione di calore Rispetto al potenziale sfruttabile e allo stato dell’arte a livello internazionale, è ancora trascurabile il ricorso alle altre fonti rinnovabili (solare, eolico, biocombustibili, rifiuti, ecc.).

11. L’energia eolica Fra le fonti energetiche rinnovabili, il vento è una risorsa disponibile, ecologica e sostenibile. Tra le fonti rinnovabili derivanti dal Sole, l’energia posseduta dal vento è stata la prima ad essere stata utilizzata dall’uomo sotto forma di energia meccanica (navigazione ed energia prodotta dai mulini a vento per le applicazioni più svariate, dal pompaggio dell’acqua, alla macinazione dei cereali, alla spremitura delle olive, alle industrie manifatturiere) Tra il 1880 e il 1930 nacquero i primi generatori di energia elettrica, con la costruzione nel 1887-88 a Cleveland (Ohio)del primo impianto eolico ad opera dell'americano Charles F.Brush iniziò la produzione di elettricità sfruttando il vento, gli aerogeneratori avevano potenza variabile fra i 3 ed i 30 kW. Successivamente, con la realizzazione di aerogeneratori di potenze crescenti (dai 50 kW ai 4500 kW dei più grandi di oggi) si giunse alla costruzione di macchine tecnologicamente evolute, ad asse orizzontale e basso numero di pale (da 1 a 3) con sezione a profilo alare, ed in alcuni paesi, come la Danimarca, si arrivò a soddisfare una consistente parte del fabbisogno nazionale di energia elettrica.

12. Gli sviluppi più moderni In questi ultimi anni in Europa sono notevolmente aumentati i siti per la produzione di energia elettrica dal vento (Wind Farm), nei luoghi dove le condizioni climatiche, orografiche e ambientali permettono il migliore sfruttamento della risorsa vento. ha contribuito ad affinare le tecnologie ed a ridurre i costi delle attrezzature eoliche: attualmente infatti sono disponibili sul mercato macchine eoliche di tutte le taglie, sicure e tecnologicamente affidabili. La produzione di energia elettrica eolica è normalmente associata all’immagine di grandi di siti con numerose ed enormi macchine sui crinali o in mare aperto: impianti spesso non graditi dalle popolazioni per l’impatto visivo sul paesaggio e, quando sono vicini alle abitazioni, per il continuo rumore che provocano. Gli impianti eolici di piccole e piccolissime dimensioni, invece, hanno un impatto visivo ed ambientale sostanzialmente nullo, di poco superiore a quello di un’antenna parabolica. Essi possono essere utilizzati, da soli o accoppiati con i pannelli fotovoltaici, per fornire elettricità a zone remote o difficilmente raggiungibili dalla rete elettrica (abitazioni isolate, riserve naturali, stazioni meteo, rifugi alpini, ecc.). Piccoli generatori eolici vengono impiegati anche per alimentare le piccole utenze di bordo delle imbarcazioni da diporto (frigorifero, quadro di controllo, luci, etc.). Collegati alla rete nazionale, infine, possono integrare l’energia occorrente alle infrastrutture turistiche (campeggi, hotel, porti turistici, agriturismi, ecc.) e a tutte le altre utenze situate in zone ventilate. Con i microimpianti eolici c’è quindi uno spazio significativo per produrre energia elettrica su piccola scala, in modo sostenibile e compatibile con l’ambiente.

13. L’origine del vento Dal sole giungono sulla Terra 1367W/m2 di energia radiativi il flusso totale netto è di 117000MW. Quest’enorme quantità di energia che si ripartisce fra: aria formazione dei venti acqua  correnti marine terra  fotosintesi clorofilliana Si stima che circa il 2% dell’energia irradiata dal sole si converta in energia eolica. Al movimento di masse d’aria generato dalle differenze di pressione viene comunemente dato il nome di vento. I fattori che ne determinano l’intensità e la direzione sono molteplici, tuttavia, fra esse prevale certamente la variabilità dell’irraggiamento solare: in uno stesso momento, fra le zone equatoriali e quelle polari; in uno stesso luogo, nelle differenti ore della giornata.

14. Le cause • variabilità della radiazione solare che genera un gradiente termico: i venti, al livello del suolo, si muovono dalle zone di alta pressione verso le zone di bassa pressione la formazione del vento si può spiegare con l’accelerazione subita dalla parte di atmosfera esposta alla radiazione solare, che è contemporanea al rallentamento della restante parte in ombra, e con il movimento di masse d’aria calda equatoriale che, salite verso le parti alte dell’atmosfera, si dirigono verso i poli richiamando altra aria dai tropici. • l’inclinazione dell’asse terrestre • il moto di rivoluzione attorno al Sole, che spostano stagionalmente le fasce di maggiore insolazione tra i due tropici • la disomogeneità della superficie terrestre caratterizzata da aree con differente capacità di assorbimento e cessione del calore (terre, mari, deserti, ghiacciai,...) • l’orografia dei suoli che modifica la direzione delle masse d’aria in movimento • la forza di Coriolis, dovuta alla rotazione terrestre e che agisce sulle masse in moto relativo rispetto alla Terra, e la variazione della velocità periferica dei punti della Terra a diversa latitudine provocano ulteriori deviazioni che determinano il caratteristico “moto a spirale”

15. Meccanismo di formazione del vento per differenze di pressione atmosferica Circolazione dei venti dovuta alle fasce di alta e di bassa pressione che si creano alle diverse latitudini terrestri

16. Andamenti della velocità del vento al variare della quota e della “rugosità” della superficie terrestre A livello locale i fattori determinanti sono quelli di natura climatica, a cui sono legati l’intensità e la frequenza del vento, e quelli derivanti dall’orografia e dal tipo di superficie terrestre che può essere più o meno rugosa: si passa da superfici lisce quali ghiaccio, fango, neve, mare, a superfici molto rugose, quali le aree boschive ed urbane. Alla rugosità è legata la forza d’attrito che il vento incontra a livello del suolo, in particolare nei primi 100 metri (che sono quelli d’interesse per lo sfruttamento attraverso macchine eoliche). La corrente d’aria nel vincere tale forza dissipa energia, per cui si instaurano dei gradienti di velocità Orografia + Tipo di superficie Dissipazione di energia Rugosità Attrito h è la quota generica, H è la quota a cui la velocità del vento risulta indisturbata, v e V sono le velocità del vento alle quote h e H, α è il coefficiente di rugosità del terreno,

17. Analisi anemometrica • L’energia eolica disponibile dipende da: • velocità del vento (al cubo) • sezione di passaggio (ovvero dal quadrato del diametro della turbina) • densità dell’aria  dalla sua temperatura e dalla sua pressione Le difficoltà che si incontrano nel valutare l’energia disponibile (e di conseguenza quella producibile dalla turbina eolica, una volta che ne siano note le caratteristiche) sono legate alla aleatorietà della sorgente eolica, essendo il vento una grandezza fortemente dipendente dal tempo (con variazioni a livello stagionale, giornaliero ed istantaneo) e dal luogo, con differenze anche sostanziali in relazione alla distanza dal suolo ed alle caratteristiche orografiche del sito.

18. La velocità del vento La velocità istantanea del vento u’(t) può essere scomposta in una componente responsabile del trasporto di massa u e in una componente legata ai moti turbolenti u*: Poichè le componenti turbolente nelle tre direzioni spaziali sono per loro natura casuali, il loro valore medio tende ad annullarsi considerando un intervallo temporale sufficientemente elevato. Ai fini della valutazione delle potenzialità energetiche dei siti eolici, viene di solito utilizzata una velocità del vento mediata su intervalli di tempo dell’ordine di 10 minuti. Per rilevare la velocità del vento si usa uno strumento detto ANEMOMETRO, solitamente del classico tipo a coppa, la cui velocità di rotazione è legata alla velocità del vento.

19. La variabilità nel tempo Le rilevazioni giornaliere evidenziano che, nella maggior parte dei luoghi, il vento ha una maggiore intensità durante il giorno rispetto alla notte; in particolare i maggiori valori si rilevano nelle prime ore del pomeriggio. Le figure evidenziano la differenza di velocità del vento tra il giorno e la notte, nonché quella tra l’estate e l’inverno. Ai fini della produzione di energia elettrica con impianti eolici, la presenza di vento prevalentemente durante il giorno è un aspetto estremamente positivo, dato che anche i consumi di energia seguono tale distribuzione

20. La variabilità con la quota La presenza di ostacoli e di rugosità superficiali determina una progressiva diminuzione (strato limite) della velocità del vento rispetto alla velocità del flusso indisturbato. L’andamento della velocità del vento u in funzione della quota z (profilo verticale di velocità, o wind shear) viene solitamente espresso attraverso relazioni del tipo: dove u1 è la velocità del vento misurata alla quota z1 (un valore tipico è 10 m) e α (wind shear exponent) è un parametro che dipende dalla classe di rugosità del suolo e dalle condizioni di stabilità dell’aria, ed è generalmente compreso tra 0,1 e 0,4

21. Gli anemometri utilizzati dalle classiche stazioni meteorologiche sono di solito posizionati a 10 m dal suolo, mentre quelli utilizzati per specifiche campagne di misura sui siti eolici sono posizionati a 20-30 metri. In ogni caso, poiché l’altezza dei moderni aerogeneratori è dell’ordine di 40-60 m, risulta sempre necessario fare ricorso alla relazione sopra citata, e quindi occorre conoscere l’esponente α. Ovviamente tale esponente può essere facilmente determinato sempre attraverso la citata relazione se si dispone di sufficienti misure a due diverse quote, ragion per cui, su una stessa torre, vengono spesso installati due anemometri a diversa altezza (per esempio 15 e 30 m):

22. La variabilità con l’orografia L’orografia rappresenta un elemento estremamente rilevante ai fini della valutazione delle potenzialità eoliche di un sito. Infatti, a parità di vento geostrofico, (vento ad alta quota che si suppone non influenzato dall’orografia e dalla rugosità del suolo) un suolo liscio determina velocità maggiori al suolo. Inoltre, a causa dell’aumento di velocità del vento indotto dalla presenza di rilievi collinari, si preferisce installare le turbine eoliche sulla cresta delle colline piuttosto che nelle vallate. Immediatamente a monte e a valle del rilievo risulta notevolmente inferiore (20-40%) alla velocità del flusso indisturbato. Effetto di un rilievo collinare sul profilo di velocità del vento.

23. La Misura della velocità del vento Ai fini di una corretta valutazione delle potenzialità energetiche di un sito eolico risulta estremamente importante effettuare precise misurazioni della velocità del vento. Infatti, poiché la potenza resa disponibile dal tubo di flusso che investe il rotore di una turbina eolica è proporzionale al cubo della velocità, un errore sulla misura della velocità del 10% comporta un errore sul calcolo della potenza, e quindi dell’energia producibile, del 33%.  anemometri con tolleranze di misura inferiori all’1-2%. Rilievi Sperimentali: Velocità misurata su intervalli di 10 min Valori Mediati Organizzazione in classi definite dal valore medio +/- 1-2% Istogramma

24. Velocità Media Dalla distribuzione della velocità del vento si può facilmente calcolare la velocità media annua del vento uM, che rappresenta un primo parametro per la valutazione delle potenzialità eoliche di un sito. Essa è infatti la media pesata delle velocità del vento essendo pesi le relative frequenze.

25. Potenza Disponibile La Potenza Disponibile è sempre crescente con la velocità del vento: Densità di potenza in funzione della velocità del vento.

26. Energia Disponibile La corrispondente energia messa a disposizione annualmente dipende dalla distribuzione di frequenza del vento e presenta un andamento prima crescente poi decrescente: Densità di energia in funzione della velocità del vento.

27. Potenza ed Energia Effettiva La potenza PE effettivamente prodotta (in forma meccanica o elettrica) da un convertitore eolico è correlata alla potenza disponibile mediante un coefficiente di potenza CP, che definisce una sorta di rendimento globale di conversione dell’energia eolica in energia meccanica attraverso il relativo aerogeneratore. L’energia utile EE effettivamente prodotta dal convertitore eolico risulta poi legata, oltre che alla potenza PE, anche al tempo di effettivo utilizzo dell’aerogeneratore, e pertanto alla distribuzione di frequenza del vento ed alla disponibilità stessa della turbina eolica, ovvero: Una turbina eolica riesce a convertire annualmente in energia elettrica circa il 20-25% dell’energia globalmente messagli a disposizione dal vento. Le moderne turbine eoliche lavorano in genere per circa 2000-2500 ore/anno equivalenti, ovvero una turbina avente una potenza nominale di 1 MW produce annualmente circa 2000-2500 MWh/anno di energia elettrica.

28. Energia Utile L’energia utile prodotta da una turbina eolica dipende: • dal sito nel quale è installata • densità dell’aria • la pressione • la temperatura ambiente • dalla distribuzione di velocità del vento • dalla macchina • dimensioni • coefficiente di potenza (varia con la velocità del vento) • disponibilità.

29. Massima Energia estraibile dal vento è minore di 1 anche in assenza di qualunque tipo di perdita nel convertitore eolico, essenzialmente perché la velocità del flusso non può essere di fatto completamente azzerata. Schematizzazione del disco attuatore inserito in un tubo di flusso.

30. Dalla Conservazione dell’energia… essendo trascurabile la variazione di quota e di entalpia (la pressione e la temperatura sono di fatto costanti), ed essendo la trasformazione adiabatica, si evidenzia che la potenza meccanica scambiata con l’esterno attraverso il disco attuatore dipende soltanto dalla variazione di velocità: per aumentare la potenza scambiata dal disco attuatore occorrerebbe ridurre la velocità u2 rispetto alla velocità u1, con un valore minimo della u2 pari a zero (che corrisponderebbe al massimo di potenza)

31. Dall’ Equazione di Continuità… Dall’equazione di continuità fra le sezioni 1 e 2, si ha: Considerando che la densità ρ nelle diverse sezioni del tubo di flusso risulta sostanzialmente costante, la condizione u2<u1 si traduce anche nella condizione S2>S1 tubo di flusso con sezione crescente. dalla quale si evince che la condizione u2=0, che da un lato renderebbe massima l’energia specifica estratta dal flusso d’aria, renderebbe però nulla anche la portata elaborata (da una superficie finita), e di conseguenza la potenza P estratta. Dovendo pertanto risultare u2>0, la potenza massima ottenibile sarà sicuramente inferiore a quella disponibile ( P<PD) cp<1

32. Nell’attraversare il tratto compreso fra le due sezioni 1 e 2 l’aria modifica la sua quantità di moto. La variazione della quantità di moto di un fluido risulta pari alla risultante FE delle forze esterne che agiscono sul fluido Per il principio di azione e reazione, la risultante F delle forze che il fluido applica sul disco attuatore è uguale alla FE ma ha segno opposto Tale forza F, che agisce nella direzione del vento, è applicata dal fluido sul disco. Indicata con u la velocità del vento (compresa fra u1 e u2) misurata in corrispondenza del disco, si avrà pertanto una potenza scambiata pari a: Poiché le due espressioni che forniscono la potenza estratta dal disco attuatore non possono che essere uguali, risulterà anche: Ossia la velocità del vento misurata in corrispondenza del disco attuatore è la media fra quella misurata a monte e a valle della turbina. La portata massica che attraversa il disco attuatore (di superficie S) è allora pari a:

33. Il coefficiente Teorico di potenza Il valore teorico del coefficiente di potenza risulta pertanto pari a: Il quale può essere diagrammato in funzione del rapporto cinetico u2/u1, come mostrato nella figura: Coefficiente di potenza teorico in funzione del rapporto cinetico u2/u1

34. CP Massimo Derivando la funzione che esprime l’andamento del coefficiente di potenza rispetto al rapporto cinetico, ed uguagliando a zero tale derivata si determina il rapporto cinetico u2/u1 che rende massimo tale coefficiente. Nella fattispecie, tale rapporto risulta pari a: Ossia la velocità a valle della turbina deve essere 1/3 di quella a monte (flusso indisturbato). Poiché poi la velocità del vento in corrispondenza del disco è la media fra le velocità nelle due sopraccitate sezioni, questa velocità sarà pari a 2/3 della velocità del vento a monte della turbina. Il valore del coefficiente di potenza ottenuto in tali condizione è infine pari a: Tale coefficiente viene comunemente indicato come limite di Betz, e consente di valutare la massima potenza che può essere estratta da una vena fluida tramite una turbina eolica.

35. Andamento velocità e pressione nel tubo di flusso La velocità del vento diminuisce progressivamente dalla sezione 1 alla sezione 2, a valle della quale essa cresce nuovamente per riportarsi su un valore pari a quello iniziale grazie alla miscelazione con l’aria circostante dovuta ai moti turbolenti. Il vento riacquista la velocità del flusso iniziale indisturbato solo ad una distanza pari a diversi diametri palari della macchina. È questa la ragione per cui non è conveniente disporre altre macchine entro questa zona del tubo di flusso. La pressione aumenta nel tratto compreso fra la sezione 1 e il disco attuatore a causa della diminuzione di velocità; tra monte e valle del disco, avendosi uno scambio di lavoro, la pressione presenta una discontinuità per poi aumentare ancora a causa della continua diminuzione di velocità.

36. Una volta valutato il valore massimo della potenza estraibile dal vento, occorre individuare la forma più conveniente per il dispositivo di conversione, che fino ad ora è stato rappresentato come un generico disco attuatore. Le prime macchine eoliche erano ad asse verticale e di fatto sfruttavano semplicemente la spinta prodotta dal vento. Alla luce delle attuali conoscenze in campo aerodinamico, si può dimostrare che questo non è il modo migliore per ricavare energia da una vena fluida, ma risulta molto più conveniente utilizzare un profilo alare, ossia sfruttare l’effetto della portanza piuttosto che l’effetto indotto dalla resistenza.  pale realizzate secondo profili alari.

37. La valutazione della produzione annua di energia • Dati: • distribuzione di frequenza della velocità del vento, valutata all’altezza media del rotore, • la curva di potenza della macchina. • Per ciascuna classe di velocità, il prodotto della potenza prodotta dalla turbina eolica per il corrispondente numero di ore/annue di persistenza di tale velocità del vento fornisce direttamente la produzione netta di energia. La somma delle produzioni energetiche relative a tutte le classi di velocità del vento è pari alla produzione energetica annua totale:

38. Rendimento di schiera Fattore molto rilevante per la valutazione della produzione di energia e della redditività dell’iniziativa è il cosiddetto “rendimento di schiera” del parco eolico. Infatti, per effetto del disturbo aerodinamico creato da ciascuna macchina sulle altre, la produzione di energia di una turbina inserita in un gruppo di macchine è minore della produzione energetica della stessa macchina installata in posizione isolata. Al fine di evitare l’interferenza fra le macchine, la distanza fra le stesse dovrebbe essere superiore ad almeno 40-50 volte il diametro palare, cosicché macchine con diametro di 50 metri dovrebbero essere installate a distanze maggiori di 2-3 km l’una dall’altra. Allo scopo di ottenere efficienze di schiera superiori a circa il 95%, le turbine debbano essere posizionate a distanze superiori a circa 15 volte il diametro nella direzione del vento e a circa 5 volte il diametro nella direzione trasversale. In linea di massima, il rendimento di schiera di un parco eolico assume valori dell’ordine del 90-95%.

39. Fattore di disponibilità Un altro parametro da considerare per la produzione di energia è il fattore di disponibilità dell’impianto fDISP che tiene conto del fatto che la macchina, pur avendo vento di sufficiente intensità, può non essere disponibile a cause di stati di fermo per riparazione o manutenzione. La disponibilità di una turbina eolica è valutata in base al rapporto tra le ore di effettivo funzionamento e le ore teoriche di funzionamento considerate in base alla disponibilità di vento con sufficiente velocità e, nelle macchine recenti, assume valori dell’ordine del 95-98%.

40. Fattore di disponibiltà Numero di macchine Variazione di T e p rispetto alle condizioni di riferimento Energia Effettiva singola macchina Rendimento di schiera Calcolo finale dell’energia Obbiettivo: Ottimizzare il risultato economico derivante dalla realizzazione di un parco eolico  RIDUZIONE DEL COSTO DI PRODUZIONE DEL KWh

41. Fattori di progetto • La progettazione di una turbina eolica non segue solo i criteri dettati dalle esigenze tecnologiche, ma piuttosto anche quelli legati ad una combinazione di specifiche tecniche ed economiche  massimizzare la produzione annua non è lo scopo primario se questo comporta un aumento troppo elevato dei costi di costruzione. • L’ottimizzazione sito-turbina coinvolge numerose scelte a livello di: • taglia della singola macchina • numero e disposizione delle turbine, • altezza del mozzo, • velocità di rotazione del rotore, • tipo e potenza del generatore elettrico, ecc. • Installando un generatore di potenza maggiore sulla stessa turbina si raggiunge una maggiore potenza nominale ma in corrispondenza anche di una velocità nominale del vento più grandebisogna tenere conto della distribuzione della velocità del vento, la quale mette in evidenza che al crescere della velocità la frequenza prima cresce ma poi diminuisce. •  è importante conoscere la distribuzione delle velocità del vento e la rispettiva densità di energia, affinché si possa scegliere una combinazione di ottimo tra la taglia del generatore e del rotore.

42. Impianto Eolico: Aerogeneratori Un impianto eolico è costituito da uno o più aerogeneratori (Fig. 3.1) posti ad adeguata distanza gli uni dagli altri così da non interferire dal punto di vista aerodinamico Gli aerogeneratori sono collegati, mediante cavi interrati alla rete di trasmissione presso cui viene realizzato il punto di consegna dell’energia.

43. Elementi costitutivi • Pale della macchina + Mozzo = Rotore • Primo albero - albero lento – collegato al mozzo ruota alla stessa velocità angolare del rotore + moltiplicatore di giri + albero veloce ruota con velocità angolare data dal prodotto di quella del primo albero per il moltiplicatore di giri. • Sull’albero veloce è poi posizionato un freno, a valle del quale si trova il generatore elettrico, da cui si dipartono i cavi elettrici di potenza. • Tutti questi elementi sono ubicati in una cabina detta navicella o gondola la quale a sua volta è posizionata su di un supporto-cuscinetto, orientabile in base alla direzione del vento. • La navicella è poi completata da: • un sistema di controllo di potenza: duplice scopo di regolare la potenza in funzione della velocità del vento istantanea, così da far funzionare la turbina il più possibile vicino alla sua potenza nominale, e di interrompere il funzionamento della macchina in caso di vento eccessivo • da uno di controllo dell’imbardata: consiste in un controllo continuo del parallelismo tra l’asse della macchina e la direzione del vento. • L’intera navicella è poi posizionata su di una torre che può essere a traliccio o tubolare conica, ancorata al terreno tramite un’opportuna fondazione in calcestruzzo armato.

44. Aerogeneratore • L’aerogeneratore è composto dai seguenti componenti: • rotore • moltiplicatore di giri • alternatore • sistema di controllo • supporto cuscinetto • anemometro • torre • trasformatore

45. Rotore

46. Moltiplicatore di giri

47. Alternatore

48. Sistemi di controllo

49. Anemometro

50. Supporto