Una centrale eolica o wind farm consente di sfruttare
l’energia cinetica del vento per ottenere
energia elettrica. Anche questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede alcune trasformazioni prima che l’energia contenuta nelle masse d’aria che si spostano, possa divenire elettricità.
Il vento, in parole povere è lo spostamento di masse d’aria tra zone con diversa pressione. In pratica la terra cede all’atmosfera il calore ricevuto dal sole, ma non lo fa in modo uniforme. Nelle zone in cui viene ceduto meno calore la pressione dei gas atmosferici aumenta, mentre dove viene ceduto più calore, l’aria diventa calda e la pressione dei gas diminuisce. Si formano così aree di alta pressione e aree di bassa pressione. Quando diverse masse d’aria vengono a contatto, la zona dove la pressione è maggiore tende a trasferire aria dove la pressione è minore. Tanto maggiore è questa differenza, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria e quindi il vento. A queste bisogna anche unire l’influenza esercitata sul fenomeno dalla rotazione terrestre.
Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in una centrale eolica?
La centrale eolica è costituita da una serie di aerogeneratori, sorta di mulini a vento progettati per sfruttare
l’Energia Cinetica contenuta nel vento. Questo, impattando sulle pale del rotore, lo costringe a muoversi ruotando sul proprio asse. In questo modo l’energia cinetica del vento si trasforma in
Energia Meccanica. La rotazione delle pale, impone una rotazione ad un rotore che è collegato ad un generatore elettrico (alternatore). In questo modo, l’energia meccanica cambia il proprio stato e diventa
Energia Elettrica.
Com’è fatta una CENTRALE EOLICA?
Schema di centrale eolica
Un impianto eolico è costituito da una serie di torri metalliche che montano in cima una grande elica detti aerogeneratori. Questi possono essere di medie dimensioni o di grandi dimensioni (la dimensione è stabilita dalla quantità di energia che riescono a produrre: dai 600 ai 1000 chilowatt per i medi e oltre 1 megawatt per quelli grandi) e funzionare già con un vento di circa 3m/s (10km/h) e raggiunge la massima potenza quando arriva a circa 17m/s (50÷60km/h). Questi sono collegati in serie tra di loro mediante cavi sotterranei. A conclusione di questa rete, si trova una cabina elettrica, chiamata stazione di consegna, che è collegata alla rete elettrica nazionale ed immette sulla stessa l’energia prodotta dalla centrale. Un aerogeneratore, è costituito da una serie di elementi che sono:
- navicella o gondola;
- torre;
- rotore;
- anemometro;
- moltiplicatore di giri;
- generatore elettrico;
- sistema di controllo;
- supporto e cuscinetto;
- trasformatore.
NAVICELLA o GONDOLA – è il guscio metallico che contiene tutti gli apparati meccanici e di controllo dell’aerogeneratore. E’ montato sopra la torre e ruota su di essa per seguire la direzione del vento, attraverso un meccanismo a ruote dentate detto deriva di rotta. Nella gondola sono contenuti l’albero di trasmissione lento, il moltiplicatore di giri, l’albero veloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari. All’estremità dell’albero lento e all’esterno della gondola è fissato il rotore, costituito da un mozzo, sul quale sono montate le pale.
Torre a traliccio
Interno della Torre
TORRE – struttura metallica di sostegno del tipo a traliccio o tubolare che porta alla sua sommità la gondola o navicella. Nei grandi e medi impianti la torre ha al suo interno sistemi di accesso verticale (scale o ascensori) che portano alla navicella per l’ispezionabilità e la manutenzione. L’altezza media di una torre e’ compresa tra i 40 e i 60 metri. E’ ancorata al terreno mediante strutture di fondazione.
ROTORE – è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale (di norma 2 o 3, con un diametro di circa 50m) che possono ruotare ad una velocità superiore ai 200 chilometri orari. Il mozzo è collegato ad un primo albero, detto albero di trasmissione lento, che ruota alla stessa velocità del rotore.
Dato che i venti di intensità elevata si verificano per tempi molto brevi, non è economico adottare aerogeneratori con rotore a passo fisso. Questo aumento di costo può essere evitato limitando il processo di conversione di energia in regime di vento molto forte. Questa limitazione è di solito ottenuta adottando pale a passo variabile (cioè orientabili) la cui regolazione consente di ridurre il rendimento aerodinamico del rotore. Nelle macchine più recenti di grossa taglia viene adottato un tipo di pala orientabile soltanto nella parte più vicina alla punta.
Anemometro
ANEMOMETRO – è uno strumento utilizzato per misurare la velocità o la pressione del vento ed è formato da un asse verticale e da tre coppette che “catturano” il vento. Comprende sensori di velocità e direzione. Il numero di giri al minuto viene registrato da un congegno elettronico che blocca automaticamente il generatore qualora la velocità del vento sia superiore ai 25÷30 metri al secondo.
MOLTIPLICATORE DI GIRI – serve ad aumentare i giri di rotazione che vengono trasmessi al generatore. L’albero lento è dirattamente connesso al rotore. Tramite un sistema di ruote dentate di differente diametro (come i rapporti nel cambio di una bici), trasmette questa rotazione, accelerandola, all’albero veloce che è direttamente collegato con il generatore.
GENERATORE – è collegato all’albero veloce ed è posizionato di norma dopo il sistema frenante. In genere si tratta di un alternatore collegato attraverso cavi elettrici che, scorrono dentro la torre fino a terra dove, prima di essere collegati alla rete elettrica, entrano in un trasformatore.
SISTEMA DI CONTROLLO – è formato da una serie di strumenti elettronici controllati da un computer che hanno la funzione di monitoraggio di tutte le parti dell’aerogeneratore e del supporto-cuscinetto. Il sistema registra in ogni momento la piena funzionalità del sistema ed in caso di malfunzionamento blocca l’aerogeneratore e invia un avviso di intervento ai tecnici della centrale.
SUPPORTO e CUSCINETTO – il moto della navicella (gondola) rispetto alla torre e’ realizzato mediante ingranaggi mossi da un attuatore che puo’ essere di tipo elettrico o idraulico.
PRO e CONTRO di una Centrale Eolica
La centrale eolica utilizza come fonte energetica da trasformare, il vento. E’ facile intuire come si tratti di una fonte inesauribile, gratuita e non inquinante. Per contro, il vento è una forma di energia incostante, cambia spesso intensità e direzione. Le centrali per il suo sfruttamento, non producono polveri sottili, inquinamento atmosferico o radioattivo. Producono, però, un forte impatto ambientale, modificando permanentemente l’aspetto del luogo sul quale sono realizzate, sono relativamente rumorose e la loro efficienza energetica è tale solo quando le torri installate sono molte e di grande dimensione.
Sono le wind-farm costruite in mare. Rappresentano un’utile soluzione per quei paesi densamente popolati e con forte impegno del territorio che si trovano vicino al mare.
I PROGRESSI TECNOLOGICI
Questa tecnologia è sicuramente una di quelle più promettenti e sono in corso di studio differenti nuove soluzioni atte a realizzare impianti sempre più efficienti e che riducono l’impatto ambientale.
Impianti OFFSHORE – Una dimostrazione sono gli impianti offshore, ossia installazioni che montano macchine da 1 MW ed oltre su sistemi galleggianti in mezzo al mare, dove più costante e frequente è l’azione del vento. Si stima che gli impianti eolici nei mari europei protrebbero fornire oltre il 20% del fabbisogno elettrico dei paesi costieri. Attualmente sono operative 5 centrali costruite in Olanda, Svezia e Danimarca con una potenza totale di 30 MW. In Italia non esiste ancora alcun impianto offshore, ma è stato calcolato un potenziale sfruttabile di 3.000 MW, pari a quello sulla terraferma, in grado di soddisfare il 4% degli attuali consumi di elettricità.
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Schema Installazione
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Wind Farm Off-Shore
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Wind Farm Off-Shore
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Installazione Aerogeneratore
Sistemi a ROTORE VERTICALE – le turbine ad asse verticale sono, le più antiche concepite dall’uomo, utilizzate in Mesopotamia sopratutto per irrigare. Negli ultimi anni stanno risvegliando l’interesse di alcune aziende e gruppi di ricercatori. I principali vantaggi dell’asse verticale sono: funzionamento costante indipendentemente dalla direzione del vento, migliore resistenza alle alte velocità dei venti e alle turbolenze. I progetti più interessanti sono quelli delle turbine windside, Darrieus e Savonius.
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Sistema WINDSIDE
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Sistema DARRIEUS
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Sistema SAVONIUS
I suoi studi nascono dall’essersi reso conto che per anni il Giappone utilizzato turbine classiche non adatte ovviamente a zone geografiche dove si formano tifoni e quindi dove i venti sono troppo violenti per poter essere sopportati da queste fragili strutture. Nel 2013 lasciò la società per cui lavorava e ha fondato una start-up chiamata Challenergy aggiudicandosi un finanziamento per realizzare la prima turbina a prova di tifone.
Shimizu, ha incorporato l’effetto Magnus all’interno di questa struttura. L’aerogeneratore creato dalla Challenergy, sostituisce le tre pale con tre cilindri rotanti verticali dotati di una pinna collegati a un montante centrale in modo da rendere la struttura più resistente e assorbire meglio la velocità di rotazione dei cilindri. Nei test effettuati si è potuta verificare un’efficienza del 30% che ancora non raggiunge il 40% di quella degli aerogeneratori tradizionali, ma è già un grande passo avanti perché lavorano in condizioni proibitive per gli altri. Obiettivo della start-Up è quello di ottimizzare questa resa.
Si chiama VENTO quel fenomeno naturale rappresentato dallo spostamento delle masse d’aria tra zone a differente pressione atmosferica. In pratica la terra cede all’atmosfera il calore ricevuto dal sole, ma non lo fa in modo uniforme. Nelle zone fredde, in cui la Terra cede meno calore, la pressione dei gas atmosferici cresce, mentre nelle zone calde dove viene ceduto più calore, la pressione dei gas diminuisce. Si formano così aree di 
