DAI MULINI A VENTO AGLI AEROGENERATORI Cosa si intende per energia eolica? Che cos’è il vento? Storia VANTAGGI E SVANTAGGI Generatori di energia elettrica Come funziona un aerogeneratore Aeromotori ad asse orizzontale Aeromotori ad asse verticale Le wind-farm Gli impianti offshore Micro generatore eolico

Per energia eolica si intende quella ottenuta dalla conversione dell'energia cinetica del vento, in energia elettrica o energia meccanica con i mulini a vento. Che cos’è il vento? Il vento è provocato dal movimento di un'enorme massa d'aria causato dall'azione dei raggi del sole e dalla rotazione terrestre.

1. Da miliardi di anni il sole riscalda la terra e questa rilascia il calore nell'atmosfera. 2. Un fenomeno che non avviene dappertutto allo stesso modo. 3. La superficie marina, ad esempio, impiega più tempo a riscaldarsi rispetto alla superficie terreste. 4. Nelle zone dove viene rilasciato meno calore ,le zone più fredde, tende ad aumentare la pressione. 5.Nelle zone più calde, viceversa, la pressione tende a ridursi. 7. L'aria più calda tende a muoversi verso l'alto lasciando dietro a sè una zona di bassa pressione. 6. L'aria delle zone ad alta pressione tende a spostarsi verso le zone a bassa pressione, generando il "vento". 8. L'aria calda, una volta in alto, si raffredda per poi ricadere verso il basso nelle zone fredde marine. 9. Questo movimento verso il basso genera una spinta dell'aria fredda marina verso le zone di bassa pressione in direzione della terraferma.

Le caratteristiche morfologiche del territorio e dell'ambiente influiscono sulla direzione e sulla potenza del vento. Boschi e montagne riducono la potenza del vento, come gli edifici delle grandi città. La potenza del vento è particolarmente forte laddove non sussistono ostacoli, nelle superfici piane, lungo le coste e in mare aperto.

STORIA L'energia eolica è stata utilizzata sin dai tempi antichi in diverse applicazioni. Già 5000 anni fa, nell'antico Egitto, il vento veniva utilizzato per la navigazione a vela magari in aiuto ai remi.

In Cina, intorno al XVII secolo, i primi mulini a vento consentivano di utilizzare l'energia eolica per la macinazione dei cereali. Mulino persiano

I mulini a vento si sono diffusi in Europa durante il XIV secolo, innanzitutto nei Paesi Bassi. Si componevano di una torre in pietra, sormontata da un tetto rotante in legno, che sosteneva l'albero e la parte superiore del sistema a ingranaggi del mulino. Dal tetto fuoriusciva un albero orizzontale, sul quale era fissata una grande elica, composta da quattro o otto pale. I sostegni in legno delle ali erano generalmente ricoperti in tela, o forniti di banderuole in legno. La potenza dell'albero rotante era trasmessa da un sistema di ingranaggi e di alberi secondari alla macina, che si trovava ai piedi della costruzione.

Le ali a ventaglio furono una delle prime migliorie apportate ai mulini a vento, di modo che la superficie delle pale si trovasse sempre sotto vento. Verso la fine del Settecento si diffuse l'uso di ricoprire le pale con delle alette in legno, la cui apertura poteva essere comandata automaticamente o manualmente: in questo modo, la velocità di rotazione del rotore veniva resa quasi indipendente dalla velocità del vento. Uno dei miglioramenti introdotti in tempi più moderni fu un sistema di frenaggio per arrestare la rotazione delle pale

Aeropompe Nel secolo scorso le aeropompe con giranti multipala di piccolo diametro si diffusero in grandissimo numero, in particolare nelle fattorie dei nuovi territori colonizzati e negli Stati Uniti. Questi mulini a vento sono semplici, robusti, economici, affidabili e rapidi da installare e per la loro semplicità vengono utilizzati soprattutto in paesi in via di sviluppo. Con le pale in lamiera vengono impiegati per il pompaggio dell'acqua anche oltre i cento metri di profondità. Con un elevato numero di pale dal profilo estremamente semplice realizzato con la curvatura della lamiera, possono avviarsi anche con venti deboli e medi tra i 3 e 6 metri al secondo, ideali quindi anche in zone non fortemente ventilate.

Generatori di energia elettrica I primi generatori di energia elettrica azionati dal vento risalgono ai primi anni di questo secolo ed avevano una potenza compresa tra 3 e 30 kW. A partire dagli inizi degli '70 il rinnovato interesse per le energie pulite ha dato un forte impulso allo sviluppo tecnologico degli aerogeneratori che hanno raggiunto, in questi ultimi anni, la piena maturità commerciale In genere sono costruiti con due o tre pale di profilo aerodinamico che permettono il funzionamento dell'impianto con venti medi e forti. Per il loro funzionamento infatti il vento deve avere una velocità di almeno 5 metri al secondo.

orizzontale o verticale. I due tipi principali di aeromotore si distinguono per la direzione dell'asse del rotore, che può essere orizzontale o verticale.

I 4000 aerogeneratori di questa stazione presso il passo del monte San Gorgonio, in California, forniscono l'elettricità a tutta Coachella Valley Aerogeneratori Questi impianti a vento servono ad azionare dei generatori elettrici e richiedono una tecnologia più avanzata delle aeropompe multipala. La corrente prodotta dagli aerogeneratori viene trasformata in corrente continua per rendere possibile l'accumulo nelle batterie e le sue pale devono essere simili a quelle degli aerei per permettere una alta velocità di rotazione.

Come funziona un aerogeneratore Il sostegno porta alla sua sommità la gondola o navicella, costituita da un basamento o da un involucro esterno; 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 (1, 2 o 3 con un diametro da 10 a 40 m per macchine di media taglia). Il rotore può essere posto sia sopravvento che sottovento rispetto al sostegno.

La gondola è in grado di ruotare rispetto al sostegno allo scopo di mantenere l’asse della macchina sempre parallelo alla direzione del vento ed è per questo che l’aerogeneratore viene definito “orizzontale”. Opportuni cavi convogliano al suolo l’energia elettrica prodotta e trasmettono i segnali necessari per il funzionamento. La forma delle pale è disegnata in modo che il flusso dell’aria che le investe azioni il rotore. Dal rotore, l’energia cinetica del vento viene trasmessa a un generatore di corrente collegato ai sistemi di controllo e trasformazione tali da regolare la produzione di elettricità e l’eventuale allacciamento in rete.

Aeromotori ad asse orizzontale Somigliano di più ai tradizionali mulini a vento, sono sistemati alla sommità di un'alta torre e da lì azionano, mediante una trasmissione a ruote dentate, l'albero del generatore di corrente collocato nell'interno, a livello del terreno. Il diametro del rotore, generalmente a tre pale profilate come quelle di un'elica aerea, può variare da poco più di un metro a cinque metri. In alcuni modelli, il passo delle pale può essere variato per controllare la velocità di rotazione, fino all'arresto del rotore in caso di vento eccessivo. Un sistema direzionale che sfrutta il principio della banderuola mantiene controvento il piano del rotore.

La loro altezza oscilla tra i 40-60 metri per catturare meglio l'energia del vento senza ostacoli. E' un aspetto importante in quanto l'altezza li rende particolarmente visibili e impattanti sul paesaggio circostante. La torre è assicurata al terreno da fondamenta in cemento armato che la proteggono dalle oscillazioni e dalle vibrazioni. Le pale del rotore sono generalmente fabbricate in fibra di vetro e possono ruotare ad una velocità anche di 200 km/h spinte solo dal vento. Gli aerogeneratori di nuova generazione montano uno standard di 3 pale ma non sono esclusi prodotti meno costosi a 1-2 pale ma anche meno efficaci. Il moto del rotore viene trasformato in energia elettrica dal generatore mediante lo stesso principio delle dinamo montate sulle biciclette.

Di regola, i moderni aerogeneratori entrano in azione quando la velocità del vento si avvicina ai 20 km/h, esprimono il massimo rendimento fra 40 e 50 km/h, e si disattivano intorno ai 110 km/h. Il problema maggiore che deve affrontare la produzione di energia eolica, infatti, è la naturale incostanza dei venti, che si traduce in un funzionamento discontinuo degli aerogeneratori. Per questo motivo, sono ritenute adatte all'installazione di aerogeneratori soltanto le località caratterizzate da una velocità media annua del vento di almeno 21 km/h.

Aeromotori ad asse verticale Più efficienti, perché potenziano l'energia del vento e quindi sviluppano una potenza maggiore, Sono costituiti da un involucro cilindrico fisso, percorso da fessure longitudinali, attraverso le quali passa il flusso d'aria, e da un rotore coassiale con il generatore di corrente. Le fessure sono accoppiate ad alette orientabili che regolano il flusso d'aria, aprendosi solo dalla parte da cui soffia il vento. Rotore Darrieus a Cap-Chat in Canada

 Esempi di integrazione ingegneria-design su micro aerogeneratori Nella costruzione degli aerogeneratori, oltre ai parametri tipicamente atmosferici, come velocità e direzione del vento, fondamentale per la determinazione della potenza nominale di targa degli aerogeneratori è la cosiddetta “area spazzata”, la parte dell’atmosfera cioè che il rotore riesce ad abbracciare, determinata essenzialmente dal diametro del rotore e quindi dalla lunghezza della pale.

Turbina bipala in Sardegna

LE WIND-FARM Di regola gli aerogeneratori vengono situati ad una distanza di almeno cinque-dieci volte il diametro delle pale; per esempio nel caso di un aerogeneratore medio, con pale lunghe circa 20 metri, questo significa istallarne uno ogni 200 metri circa. Una fattoria del vento costituita da 30 aerogeneratori da 300 kW l'uno in una zona con venti dalla velocità media di 25 chilometri orari, può produrre 20 milioni di kWh all'anno; vale a dire quanto basterebbe a soddisfare le esigenze di circa 7.000 famiglie. L'esempio più tipico di impianto eolico è costituito dalla wind-farm, "fattorie del vento", che sono degli aerogeneratori disposti variamente sul territorio, ma collegati ad una unica linea che li raccorda alla rete locale e nazionale (cluster). Nelle wind-farm la distanza fra gli aerogeneratori non è casuale, ma viene calcolata per evitare interferenze reciproche che potrebbero causare cadute di produzione.

Windfarm a turbine tripala a Mucuripe in Brasile

Windfarm a Enix in Spagna

24 turbine tripala di una Windfarm a Lolland in Danimarca

Windfarm a turbine monopala a Wilhelmshafen in Germania

GLI IMPIANTI OFFSHORE Gli impianti offshore non sono altro che wind-farm costruite in mare. Rappresentano un'utile soluzione per quei Paesi densamente popolati e con forte utilizzo del territorio che si trovano vicino al mare. La tecnologia degli aerogeneratori da utilizzare in siti offshore è in pieno sviluppo Secondo alcune stime, gli impianti eolici nei mari europei potrebbero fornire oltre il 20% del fabbisogno elettrico dei Paesi costieri. Attualmente in Europa 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.

Offshore in prossimità di Blyth in Danimarca

Impatto ambientale: benefici globali VANTAGGI è una fonte rinnovabile, in quanto non richiede alcun tipo di combustibile, ma utilizza l’energia cinetica del vento (conversione dell’energia cinetica del vento, dapprima in energia meccanica e poi in energia elettrica); è pulita, perchè non provoca emissioni dannose per l’uomo e per l’ambiente. Gli aerogeneratori non hanno alcun tipo di impatto radioattivo o chimico, visto che i componenti usati per la loro costruzione sono materie plastiche e metalliche. SVANTAGGI Gli aspetti ambientali che vengono criticati sono invece correlati a possibili effetti indesiderati, che hanno luogo su scala locale; essi sono: Occupazione del territorio Impatto visivo Rumore Effetti elettromagnetici Interferenze sulle comunicazioni Effetti su flora e fauna Esempio di impatto visivo

Micro Generatore Eolico ad asse verticale GEOL E’una turbina ultraleggera ad asse verticale a quattro principi che consente di sfruttare al meglio e con continuità il vento proveniente da ogni direzione, che inizia a ruotare spontaneamente a bassissimi regimi di vento (0,3 m/s), che consente di raggiungere la sua potenza di picco quando il vento raggiunge i 12 metri al secondo. minimo impatto ambientale elevata sicurezza (la velocità di rotazione non supera i 120 giri al minuto); silenziosità; facile installazione; alternatore a presa diretta (assenza di moltiplicatore di giri); costi di esercizio e manutenzione trascurabili.

Kit Eolico Schema di un impianto eolico per piccole utenze Il suo funzionamento è semplice. L'energia del vento viene convertita in energia elettrica dall'alternatore che, grazie alla rotazione delle pale, genera energia elettrica. Questa energia viene immessa nel regolatore di carica, che si occupa di fornire un'uscita stabilizzata per le vostre apparecchiature a bassa tensione (ad esempio lampade) e di caricare le batterie. Le batterie servono ad accumulare l'energia non subito utilizzata, per poterla fornire successivamente.

Quali sono le zone più ventose al mondo?

L'ENERGIA EOLICA NEL MONDO Nel 1981 la produzione di energia eolica mondiale era ancora praticamente nulla; rispetto all'anno 1996, il settore eolico è cresciuto a livello mondiale del 25-26%. Alla fine del 2000 la potenza eolica installata ha superato i 13.000 MW. Per quanto riguarda l'energia eolica installata negli altri Paesi vediamo gli Stati Uniti principali produttori nelle Americhe con 2.554 MW, l'India, nell'Asia, con 1.167 MW, il Medio Oriente con 65 MW e infine l'Africa con 226 MW. In Europa, dove è installata il 62% della potenza eolica presente nel mondo, capofila è la Germania, con 6.113 MW, seguono la Danimarca con 2.300 MW, la Spagna con 2.235 MW, l'Italia con 427, la Gran Bretagna con 406 MW e la Svezia con 231 MW. Nel 2008 nell'Unione Europea sono entrati in servizio impianti di produzione per quasi 20.000 MW e per la prima volta le energie rinnovabili sono state quasi pari ai combustibili fossili, Oggi gli Usa sono un po' più indietro dell’Europa

L'ENERGIA EOLICA IN ITALIA In Italia le attività sull'eolico sono iniziate nei primi anni 80, e furono svolte principalmente dall'ENEA e dall'ENEL e da alcuni operatori privati,. La posizione geografica dell'Italia, unita alla presenza di catene montuose e di masse d'acqua, determina un diverso andamento dei venti sia nel corso dell'anno e da regione a regione. L'Italia può comunque contare, specie nelle zone mediterranee meridionali e nelle isole, su venti di buone intensità, quali il maestrale, la tramontana, lo scirocco e il libeccio. Nonostante la produzione eolica in Italia sia molto bassa rispetto agli altri Paesi, negli ultimi anni, come si nota nel grafico, la produzione eolica è cresciuta vertiginosamente e si prevede per i prossimi anni una maggiore crescita.