I generatori eolici o aerogeneratori convertono direttamente l'energia cinetica del vento in energia meccanica, che pu¨° essere quindi utilizzata per il pompaggio, per usi industriali e soprattutto per la generazione d'energia elettrica.
La tipica configurazione di un aerogeneratore ad asse orizzontale ¨¨ schematizzata nella figura; il sostegno porta alla sua sommit¨¤ 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'estremit¨¤ dell'albero lento e all'esterno della gondola ¨¨ 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 pu¨° essere posto sia sopravvento sia sottovento rispetto al sostegno. La gondola ¨¨ in grado di ruotare rispetto al sostegno allo scopo di mantenere l'asse della macchina sempre parallelo alla direzione del vento, ed ¨¨ per questo che l'aerogeneratore ¨¨ definito "orizzontale". Opportuni cavi convogliano al suolo l'energia elettrica prodotta e trasmettono i segnali necessari per il funzionamento. La forma delle pale ¨¨ disegnata in modo che il flusso dell'aria che le investe azioni il rotore. Dal rotore, l'energia cinetica del vento ¨¨ trasmessa ad un generatore di corrente collegato ai sistemi di controllo e trasformazione tali da regolare la produzione d'elettricit¨¤ e l'eventuale allacciamento in rete. L'aerogeneratore opera a seconda della forza del vento; al di sotto di una certa velocit¨¤ la macchina ¨¨ incapace di partire; perch¨¦ ci sia l'avviamento ¨¨ necessario che la velocit¨¤ raggiunga una soglia minima d'inserimento, diversa da macchina a macchina (circa 4-5 m/s). Durante il funzionamento, la velocit¨¤ del vento "nominale" ¨¨ la minima velocit¨¤ del vento che permette alla macchina di fornire la potenza di progetto (10-12 m/s per qualche centinaio di kW per macchine di media taglia). Ad elevate velocit¨¤ (20-25 m/s) l'aerogeneratore ¨¨ posto fuori servizio per motivi di sicurezza.
L'aerogeneratore ricava la sua potenza dalla conversione della forza del vento in una coppia applicata all'elica. La quantit¨¤ d'energia trasferita al rotore dipende, dalla densit¨¤ dell'aria, dall'area dell'elica e dalla velocit¨¤ del vento.
Densi¨¤ dell'aria
L'energia cinetica di un corpo in movimento ¨¨ proporzionale alla sua massa, quindi, l'energia cinetica posseduta dal vento dipende dalla densit¨¤ dell'aria. Con pressione normale
ed una temperatura di 15¡ãc, la densit¨¤ dell'aria ¨¨ 1,225 Kg/m3, ma la densit¨¤ diminuisce rapidamente all'aumentare dell'umidit¨¤; altrettanto l'aria
¨¨ pi¨´ densa quando ¨¨ fredda rispetto a quando ¨¨ calda, e ad alte altitudini (in montagna) cala la pressione e di conseguenza la densit¨¤.
Area dell'elica
Una tipica turbina eolica da 600kW ha un'elica del diametro di 43-44 metri, quindi la sua area sar¨¤ di circa 1500m2.questa superficie determina la quantit¨¤ d'energia che
pu¨° essere ricavata dal vento.
L'immagine ¨¨ semplificata, in realt¨¤ una turbina defletter¨¤ il vento, sia davanti sia dietro l'elica. Questo vuole dire che non potremo mai catturare tutta l'energia del vento (legge di Betz appendice B).
Il rotore deve evidentemente rallentare il vento poich¨¦ cattura la sua energia cinetica e lo converte in una coppia motrice. Questo vuol dire che il vento si muover¨¤ pi¨´ lentamente dopo che avr¨¤ superato l'elica, e siccome la quantit¨¤ d'aria che entra dovr¨¤ essere uguale a quella che esce, la sezione del tubo di flusso in uscita dovr¨¤ essere maggiore.
La velocit¨¤ del vento ¨¨ estremamente importante per la quantit¨¤ dell'energia che una turbina pu¨° convertire in elettricit¨¤: l'energia contenta nel vento varia col cubo della velocit¨¤ media del vento. Il grafico mostra come con una velocit¨¤ del vento di 8 m/s otteniamo una potenza di 314 W/m2 e con 16 m/s la potenza sar¨¤ di 2509 W/ m2.
Per misurare la velocit¨¤ del vento di solito si usa un anemometro a cucchiaio; esso ¨¨ costituito da un asse verticale e tre cucchiai che catturano il vento. Il numero di rivoluzioni al minuto ¨¨ registrato elettronicamente; all'anemometro ¨¨ aggiunta una banderuola che misura la direzione. Altro tipi d'anemometri utilizzano ultrasuoni o laser che misurano la variazione della fase del suono o la rifrazione della luce. Il vantaggio degli anemometri non-meccanici ¨¨ che sono meno sensibile al gelo. In pratica comunque, anemometri a cucchiaio sono utilizzati dappertutto, e modelli speciali riscaldati possono essere usate nelle zone molto fredde.
L'anemometro deve essere posto alla stessa altezza della gitante, ma bisogna prestare attenzione a che non sia piazzato dove il vento possa avere delle deviazioni o turbolenze dovute alla struttura stessa. Viene dunque utilizzato un palo della stessa altezza della turbina sostenuto da dei tiranti come si pu¨° vedere dalla figura. Le misure sono ottenute come 10 valori medi in un minuto in modo da essere compatibili con la a maggior parte dei software standard. Anemometro, palo e acquisitore del dati pu¨° costare circa 5.000$.
Il modello generale di variazione della velocit¨¤ del vento ¨¨ molto importante per progettare al meglio il sistema.
Se si misura la velocit¨¤ del vento in un anno, si osserva che nella maggior parte aree i venti forti sono rari, mentre quelli moderati sono piuttosto comuni. La velocit¨¤ ha la distribuzione di probabilit¨¤ di figura 5 (distribuzione di Weibull). Come pu¨° vedere, la distribuzione di velocit¨¤ del vento non ¨¨ simmetrica perch¨¦ le velocit¨¤ basse rispetto al valore medio suono pi¨´ probabili. Questa distribuzione dipende dal luogo in cui ¨¨ ubicato l'impianto.
Abbiamo visto che l'energia dipende dal cubo della velocit¨¤ del vento e che ¨¨ proporzionale alla densit¨¤. Se combiniamo queste due cose e moltiplichiamo la potenza che abbiamo ad ogni velocit¨¤ per la probabilit¨¤ di della velocit¨¤, otteniamo la distribuzione d'energia del vento in funzione della velocit¨¤.
L'area sotto la curva grigia ci d¨¤ l'ammontare della potenza del vento per metro quadrato. L'area sotto la curva blu ci dice quanta potenza pu¨° essere catturata dalla girante in accordo alla legge di Betz. L'area sotto la curva rossa ci da la potenza elettrica prodotta
Il grafico mostra la curva di potenza di una tipica turbina da 600 kW. Per com'¨¨ calcolata essa ha una tolleranza del 10%.
Il coefficiente di potenza ci dice quanto efficientemente avvenga la conversione dell'energia. Come si pu¨° vedere l'efficienza meccanica ¨¨ maggiore per velocit¨¤ di circa 9 m/s (44%) e questo dipende dalle scelte progettuali. Alle basse velocit¨¤ l'efficienza non ¨¨ molto importante, perch¨¦ non c'¨¨ molta energia da convertire, e ad alta velocit¨¤ si deve poter dissipare l'energia in eccesso.
La gondola contiene i componenti chiave di un generatore eolico, inclusa la scatola del cambio ed il generatore elettrico. Alla sinistra della carlinga c'¨¨ l'elica composta dalle pale rotanti e dal mozzo. Le pale catturano il vento e trasferiscono la sua potenza al mozzo; in una turbina moderna da 600kW, ogni pala misura circa 20m in lunghezza ed ¨¨ disegnata similmente alle ali di un aeroplano. Il mozzo ¨¨ attaccato all'albero a bassa velocit¨¤ il quale, a sua volta ¨¨ collegato alla scatola del cambio. In una turbina da 600kW l'elica ruota ad una velocit¨¤ che varia da 19 a 30 giri al minuto (RPM). Il mozzo contiene dei tubi per il sistema idraulico che gestisce la regolazione dell'inclinazione delle pale. La scatola del cambio fornisce un albero che ruota ad una velocit¨¤ circa 50 volte maggiore a quella dell'elica (circa 1500 RPM),il quale aziona il generatore elettrico. L'albero ad alta velocit¨¤ ¨¨ equipaggiato con un freno a disco d'emergenza. Il generatore elettrico solitamente ¨¨ un alternatore oppure un generatore asincrono e la potenza elettrica massima ¨¨ compresa fra 500 e 1500kW. Il sistema di controllo elettronico contiene un computer che monitora continuamente la turbina ed in caso di malfunzionamento (surriscaldamento del cambio o del generatore), la ferma e ne riferisce tramite telefono alla stazione di controllo. L'unit¨¤ di raffreddamento contiene un ventilatore elettrico che raffredda il generatore, ed un sistema per il raffreddamento dell'olio contenuto nella scatola del cambio (alcune turbine sono equipaggiate con sistemi di raffreddamento ad acqua). La torre sostiene la carlinga e l'elica. Di solito ¨¨ vantaggioso avere una torre alta, poich¨¦ la velocit¨¤ del vento aumenta sollevandosi dal suolo. Le turbine da 600kW hanno delle torri che vanno dai 40 ai 60 metri. I segnali elettrici provenienti dall'anemometro sono utilizzati dal controller elettronico per far partire la turbina quando la velocit¨¤ del vento raggiunge circa i 5m/s, e fermarla quando supera i 25m/s per preservare la sua integrit¨¤.
Le turbine eoliche sono progettate per produrre energia elettrica al minor costo possibile. Di solito esse sono costruite per dare la massima potenza per una velocit¨¤ del vento attorno ai 15m/s (50 km/h). Non ¨¨ producente costruirle in modo da massimizzare la loro uscita per venti pi¨´ forti, perch¨¦ questi venti sono rari. Nel caso di venti maggiori a quello ottimale ¨¨ necessario dissipare parte dell'energia in eccesso del vento, in modo da non danneggiare la turbina; di conseguenza tutti i generatori eolici sono equipaggiati con dispositivi per il controllo della potenza. Ci sono due diversi modi per garantire l'incolumit¨¤ dei generatori eolici moderni.
Per eseguire il controllo sull'inclinazione delle pale bisogna misurare la potenza prodotta molte volte al secondo; quando essa diventa troppo elevata, ¨¨ emanato un ordine agli attuatori, i quali immediatamente ruotano le pale, in modo che ricevano un minor vento. Inversamente le pale sono inclinate in modo che ricevano pi¨´ vento, quando esso cala nuovamente. Le pale devono poter ruotare rispetto ad un asse longitudinale come si pu¨° vedere dalla figura.
Questo tipo di controllo fa in modo che l'inclinazione delle pale vari d'alcuni gradi ad ogni cambiamento del vento, per massimizzare il rendimento ad ogni velocit¨¤. Di solito gli attuatori sono di tipo idraulico.
Lo schema a blocchi di figura 11 schematizza il sistema di controllo. La velocit¨¤ della turbina ¨¨ retroazionata, e ad essa, ¨¨ sottratta la velocit¨¤ di riferimento ¦ØTref per trovare l'errore di velocit¨¤ ¦¤¦ØT. L¡¯errore di velocit¨¤ ¨¨ l¡¯ingresso del controller che comanda la variazione dell'angolo d'inclinazione delle pale ¦¤¦Â. Il nuovo angolo sar¨¤ ¦Â=¦¤¦Â+¦Âref che di solito pu¨° variare fra 3¡ã e 60¡ã. L'attuatore varia materialmente l'angolo.
In figura 12 c'¨¨ lo schema a blocchi del PID controller (Proporzionale-Integrale-Derivativo). Esso manipola, attraverso i tre guadagni, l'errore di velocit¨¤ in modo da trovare la regolazione angolare necessaria per eliminare quest'errore.
L'attuatore idraulico ¨¨ rappresentato con lo schema di figura 13. L'olio idraulico tende a surriscaldarsi se l'attuatore viene azionato continuamente, si introduce quindi una "dead zone" per ignorare comandi contenuti ad esempio in un intervallo di ¡À0,1 deg/secondo.
Ci sono molti modi per costruire un modello della turbina. Un modello lineare si pu¨° esprimere con la seguente formula.
dove:
JT ¨¨ il momento d'inerzia del rotore
¦ØT ¨¨ la velocit¨¤ angolare
¦Â ¨¨ l'angolo d'inclinazione delle pale
w(t) ¨¨ la velocit¨¤ del vento
passando nel dominio di Laplace l'equazione diventa:
ponendo ¦Ë=¦Ã/JT la velocit¨¤ del rotore pu¨° essere cos¨¬ rappresentata:
Le turbine che utilizzano questo tipo di controllo hanno le pale attaccate al mozzo con un angolo fisso. La geometria dell'elica ¨¨ progettata aerodinamicamente in modo che, quando la
velocit¨¤ del vento diventa troppo elevata, si creino delle turbolenze che ostacolando la spinta sulle pale. Se si guarda da vicino una pala, si osserva che ¨¨ torta leggermente
spostandosi lungo il suo asse longitudinale. Questo ¨¨ fatto in parte per assicurare che la pala stalli gradualmente piuttosto che improvvisamente quando il vento raggiunge la
velocit¨¤ critica.
Il principale vantaggio di questo tipo di controllo ¨¨ la semplicit¨¤, poich¨¦ elimina molti componenti necessari per un controllo elettronico. D'altra parte richiede un
progetto aerodinamico molto complesso. Circa due terzi dei generatori eolici installati nel mondo hanno un sistema per il controllo dello stallo.
Un crescente numero di grandi turbine eoliche (1MW e oltre) sono costruite con un sistema per il controllo attivo dello stallo.
Tecnicamente questo meccanismo ¨¨ riconducibile al controllo dell'inclinazione delle pale, queste macchine sono simili a quelle che fanno un pitch controll, avendo anch'esse delle pale
che possono inclinarsi, ma, per garantire un valore ragionevolmente elevato di coppia con venti deboli, l'angolo di cui possono ruotare ¨¨ maggiore.
Quando la macchina raggiunge la sua potenza nominale, si pu¨° notare un'importante differenza rispetto al pitch control: se il generatore sta per essere sovraccaricato, si ruotano le
pale nella direzione opposta; in altre parole si vuole aumentare l'angolo d'incidenza delle pale sul vento in modo da farle entrare in stallo per sprecare l'eccesso d'energia del vento.
Uno dei vantaggi di questo sistema, ¨¨ che si pu¨° controllare la potenza d'uscita pi¨´ accuratamente rispetto ad uno stallo passivo, in modo da eliminare escursioni della
potenza sopra il valore nominale all'inizio di una raffica di vento.
Un altro vantaggio ¨¨ che la macchina pu¨° funzionare pressoch¨¦ esattamente alla potenza nominale con ogni tipo di vento forte, (un normale controllo passivo dello stallo ha
in generale una caduta della potenza elettrica in uscita con venti forti, perch¨¦ le palle vanno in stallo profondo).
La variazione dell'inclinazione ¨¨ fatta tramite un sistema idraulico oppure da motori passo-passo.
Implementare questo tipo di controllo ¨¨ una questione economica rilevante e bisogna valutare anche l'aumento di complessit¨¤ della macchina.
Alcune vecchie turbine utilizzano dei flaps per controllare la potenza; questi alterano la geometria dell'ala in modo da aumentare o diminuire la spinta. Un'altra possibilit¨¤ ¨¨ la diminuzione dell'imbardata con una conseguente diminuzione della potenza. Questa tecnica ¨¨ praticamente utilizzata solo per potenze inferiori ad 1kW poich¨¦ sottopone il rotore ad un notevole stress che alla lunga danneggerebbe l'intera struttura.
E' utilizzato per posizionare il piano dell'elica ortogonalmente rispetto alla direzione da cui soffia il vento. La turbina ha un errore dell'imbardata se il rotore non ¨¨ perpendicolare al vento. Quest'errore implica che una piccola quantit¨¤ d'energia del vento oltrepassi l'area della girante (la quantit¨¤ decresce con il coseno dell'angolo). La parte della girante pi¨´ vicina alla direzione da cui proviene il vento, sar¨¤ soggetta ad una forza maggiore e si eserciter¨¤ una coppia sul mozzo del rotore. Questa coppia da un lato tende ad aggiustare automaticamente la direzione dell'elica ma d'altra parte le pale sono soggette a delle forze laterali che danno dei problemi di resistenza alla fatica.
La maggior parte delle turbine ad asse orizzontale utilizza un meccanismo di posizionamento forzato, rispetto alla direzione del vento (si usano motori elettrici ed un sistema d'ingranaggi). Nella figura ¨¨ riportato questo meccanismo per una turbina da 750kW visto dall'interno della gondola. Questo meccanismo ¨¨ controllato elettronicamente misurando molte volte per secondo la direzione del vento.
I cavi che portano la corrente dal generatore alla rete passano attraverso la torre. C'¨¨ quindi il problema che questi cavi si torcano su stessi poich¨¦ le variazioni di direzione del vento, possono far ruotare la turbina sempre da una stessa parte per molti giri. Per evitare questo problema si utilizza un sistema che misura il numero di rotazioni, e quando esse raggiungono un numero ad esempio di cinque nella stessa direzione, si ripristina la posizione neutra.
La torre serve a sostenere la gondola ed il rotore; essa pu¨° essere tubolare, a traliccio, o di cemento.
Sono utilizzate per turbine di grosse dimensioni; sono costituite da segmenti tubolari lunghi 20-30m con delle flange alle estremit¨¤ e sono assemblate sul luogo d'utilizzo. Le torri sono coniche in modo da aumentare la resistenza ed allo stesso tempo risparmiare materiale.
Sono costruite saldando dei profilati d'acciaio. Il vantaggio che offrono ¨¨ il costo; rispetto alle torri tubolari con pari caratteristiche richiedono meno della met¨¤ di materiali (acciaio). Lo svantaggio ¨¨ dato dall'estetica, ed infatti, per le turbine di grosse potenze non sono pi¨´ utilizzate.
Molte turbine di piccole dimensioni utilizzano un palo stretto sostenuto da cavi. Il vantaggio ¨¨ il risparmio di materiale e quindi un minor costo. Lo svantaggio ¨¨ il difficile accesso attorno alla torre che ad esempio non le rende appropriate all'interno di una fabbrica. Infine queste torri sono molto vulnerabili al vandalismo.
Utilizzano delle combinazioni delle soluzioni precedenti.
Il costo della torre si aggira attorno al 20% del costo totale. Per una torre di 50m d'altezza il costo addizionale per avere ulteriori 10m ¨¨ di circa 15.000$. E' quindi importante, ai
fini del costo dell'energia prodotta, scegliere accuratamente la torre da impiegare. Di solito, in terreni sconnessi c'¨¨ l'interesse ad avere una torre alta, poich¨¦ la
velocit¨¤ del vento aumenta di molto.
Le pale delle turbine con una torre relativamente bassa sono soggette a diverse velocit¨¤ del vento quando sono in alto oppure in basso; questo aumenta il carico di fatica della
turbina.
Ogni metro in pi¨´ ha un suo costo, di conseguenza l'altezza ottima dipende:
* Costo per metro
* da quanto la velocit¨¤ del vento ¨¨ maggiore ad un altezza maggiore
* dal guadagno che si ha per un aumento della produzione d'energia
Converte l'energia meccanica in energia elettrica; esso ¨¨ diverso dagli altri generatori utilizzati per la produzione d'energia elettrica poich¨¦ deve lavorare con una sorgente
soggetta ad un'ampia variazione.
Nelle grandi turbine (oltre 100-150kW), la tensione generata ¨¨ di 690V trifase ed ¨¨ applicata ad un trasformatore per essere immessa nella rete. I generatori devono essere
raffreddati: si pu¨° utilizzare un sistema di raffreddamento ad aria oppure ad acqua; il secondo ha una migliore efficienza, ma richiede un radiatore.
I generatori possono essere sia asincroni sia sincroni ed il collegamento alla rete pu¨° essere diretto o indiretto
I costruttori di motori elettrici per molti anni hanno affrontato il problema che i motori hanno una velocit¨¤ fissa decisa dal numero di coppie polari.
Lo slittamento di un motore (o generatore) asincrono di solito ¨¨ molto piccolo per ragioni d'efficienza, cos¨¬ la velocit¨¤ di rotazione avr¨¤ una variazione solo del
1% fra funzionamento a vuoto e con carico massimo. Lo scorrimento, comunque ¨¨ una funzione della resistenza degli avvolgimenti del rotore. Pi¨´ alta ¨¨ la resistenza maggiore
¨¨ lo scorrimento, cos¨¬, un modo per variarlo lo si ottiene agendo sul valore di questa resistenza. In questa maniera, otteniamo uno scostamento dal valore nominale fino al 10%. Di
solito si ha a che fare con dei rotori avvolti i qui avvolgimenti, sono connessi all'esterno tramite dei resistori variabili con un sistema di controllo.
Ci sono numerosi vantaggi nell'avere una turbina eolica che pu¨° funzionare a velocit¨¤ variabile. Una buona ragione per volere che una turbina funzioni parzialmente con
velocit¨¤ variabile ¨¨ che il pitch control (controllo della coppia in modo da non sovraccaricare il cambio ed il generatore inclinando le pale dell'elica) ¨¨ un processo
meccanico. Questo vuole dire che il tempo di reazione diventa un fattore critico in fase di progetto. Se si ha un generatore con slittamento variabile, si pu¨° aumentare lo slittamento
una volta prossimi al valore nominale della potenza. La strategia di controllo pi¨´ usata per il progetto di grosse turbine (600kW e oltre) ¨¨ di usare il generatore con un valore
dello slittamento pari alla met¨¤ del suo valore massimo quando la potenza ¨¨ prossima al valore nominale.
Quando arriva una raffica di vento, il sistema di controllo fa aumentare lo scorrimento, in modo da permettere al motore di girare pi¨´ velocemente durante il tempo necessario per
variare l'inclinazione delle pale (pitch control). Quando il sistema per il pitch control ha fatto il suo lavoro, lo scorrimento sar¨¤ nuovamente diminuito. Quando invece c'¨¨ un
buco di vento il processo applicato sar¨¤ opposto.
La difficolt¨¤ tecnica consiste nel far cooperare efficientemente questi due sistemi di controllo. Il beneficio di questa strategia ¨¨ che si ottiene una migliore qualit¨¤
dell'energia prodotta.
Con la connessione indiretta, il generatore ¨¨ collegato ad una piccola rete locale controllata elettronicamente (usando degli inverter); di conseguenza la frequenza della corrente
generata pu¨° essere variabile. In questo caso ¨¨ possibile far funzionare la turbina a velocit¨¤ variabile.
Il generatore pu¨° essere indifferentemente una macchina sincrona o asincrona, e la turbina pu¨° avere il cambio oppure no se il generatore ha molti poli.
La corrente alternata con frequenza variabile non pu¨° essere immessa nella rete pubblica. Essa viene dunque rettificata, utilizzando ad esempio dei tristori; dopo di che, tramite
un'inverter, ¨¨ convertita nuovamente in corrente alternata, ma con frequenza esattamente uguale a quella della rete. Dopo un filtraggio essa ¨¨ immessa nella rete.
Il vantaggio, come abbiamo gi¨¤ detto, ¨¨ che la turbina pu¨° funzionare a velocit¨¤ variabile. Questo permette di sfruttare le raffiche di vento permettendo al rotore
di girare pi¨´ velocemente, ed immagazzinando l'energia in eccesso per quando la raffica sar¨¤ terminata.
Riduce il picco di coppia (riducendo l'usura del cambio e del generatore), e riduce i carichi di fatica sia della torre sia delle pale.
Un altro vantaggio ¨¨ che con i dispositivi di potenza utilizzati, possiamo controllare la potenza reattiva (variando la fase fra tensione e corrente) aumentando la qualit¨¤
dell'energia elettrica della rete.
Teoricamente una velocit¨¤ variabile da anche un vantaggio in termini di produzione d'energia, perch¨¦ la macchina lavora sempre con una velocit¨¤ di rotazione ottimale,
rispetto alla velocit¨¤ del vento. Da un punto di vista economico il vantaggio non ¨¨ molto rilevante.
Lo svantaggio principale ¨¨ il costo. Come abbiamo visto, la turbina necessita di un rettificatore e di due inverter, uno per controllare la corrente dello statore e l'altro per generare la corrente d'uscita. Un altro svantaggio ¨¨ l'energia persa nel processo di conversione AC-DC-AC, e le distorsioni armoniche che questi componenti introducono (queste distorsioni non sono completamente eliminabili con il filtraggio).
La potenza fornita dalla girante ¨¨ trasferita al generatore attraverso la scatola del cambio e l'albero ad alta velocit¨¤. Il cambio ¨¨ necessario perch¨¦ se dobbiamo produrre corrente alternata a 50Hz, con due, quattro o sei poli, dobbiamo avere una velocit¨¤ di rotazione compresa fra 1000 e 3000 giri al minuto. Un'elica con un diametro di 43m avrebbe una velocit¨¤ periferica doppia rispetto a quella del suono, possiamo scordarcelo! Un'altra possibilit¨¤ ¨¨ utilizzare un generatore con molti poli, ma se si vuole connetterlo direttamente alla rete sono necessarie almeno 100 coppie polari per arrivare ad una velocit¨¤ ragionevole di 30 rpm. Un ulteriore problema ¨¨ la massa del rotore che deve essere direttamente proporzionale alla coppia motrice di cui si dispone; quindi una connessione diretta diventa troppo difficile (e costosa) in ogni caso.
La soluzione pi¨´ pratica ¨¨ l'utilizzo di una scatola del cambio che ci faccia passare da un albero con bassa velocit¨¤ e molta coppia data dal vento, ad un'altro con alta velocit¨¤ e minor coppia che pu¨° azionare il generatore. Questo cambio ¨¨ ad un unico rapporto di conversione, e, per una turbina da 600-750kW vale approssimativamente 1 a 50. La figura sottostante mostra un cambio per una turbina da 1,5 MW; esso ¨¨ piuttosto inusuale perch¨¦ ha due flange ad alta velocit¨¤ (sulla destra).
Il sistema di controllo consiste in un certo numero di microprocessori che monitorano continuamente le condizioni di funzionamento e costruiscono delle statistiche sulle varie operazioni. Essi agiscono su un gran numero d'attuatori, pompe idrauliche, valvole, e motori contenuti all'interno della turbina. La sua funzione ¨¨ tanto pi¨´ importante tanto maggiore ¨¨ la dimensione della turbine. Il sistema di controllo comunica all'esterno, mandando allarmi o richieste di servizio tramite la rete telefonica o radio. Si pu¨° anche chiamare la turbina per accedere alle informazioni e controllare il suo stato di funzionamento. Nel caso di un sistema per la produzione d'energia elettrica costituito da svariate turbine, una di esse ¨¨ equipaggiata con un PC dal qual ¨¨ possibile controllare ed assumere dati di tutto il resto delle turbine.
Di solito ci sono due controllori, una in cima ed uno alla base della torre. Nelle turbine recenti le comunicazioni fra i controllers avvengono tramite fibre ottiche. Su alcuni modelli recenti c'¨¨ un terzo controllore posto nel mozzo del rotore; quest'unit¨¤ comunica con quella della gondola usando una porta seriale attraverso un cavo munito di contatti striscianti. Computer e sensori sono duplicati (ridondanti) per ragioni di sicurezza, soprattutto nelle grandi macchine.
Il controllore compara continuamente le letture delle misurazioni effettuate da ambo i sensori. In una turbina moderna, ¨¨ possibile esaminare o registrare tra i 100 ed i 500 parametri; si pu¨° ad esempio, controllare la velocit¨¤ di rotazione, il generatore, la sua tensione e corrente. Altre misure sono fatte ad esempio sulla temperatura dell'aria, sulle temperature dei vari elementi inclusi nella macchina (scatole elettriche, olio del riduttore, avvolgimento del generatore); la pressione del sistema idraulico, misura dell'angolo d'inclinazione delle pale, angolo d'imbardata, numero di torsione dei cavi che trasportano la corrente, l'ampiezza e la frequenza delle vibrazioni nella gondola e nelle pale, ecc.
Il miglioramento del rendimento delle turbine eoliche e la conseguente maggior energia prodotta ¨¨ in maggior parte dovuto alle strategie di controllo. La strada seguita dai costruttori, ¨¨ adattare la strategia operativa al clima locale. In modo da minimizzare le rotture dovute a condizioni climatiche difficili.
Il termine "qualit¨¤" si riferisce alla stabilit¨¤ di tensione e frequenza, ed all'assenza di qualsiasi tipo di rumore sulla rete elettrica.
Nella gran parte delle turbine eoliche i sistemi di controllo sono programmati in modo da lasciar girare la turbina a vuoto in condizione di poco vento.
Quando il vento raggiunge una velocit¨¤ sufficiente a far girare il generatore alla sua velocit¨¤ nominale, ¨¨ importante connettere il generatore alla rete nel momento
giusto.
D'altra parte c'¨¨ solo la resistenza meccanica del riduttore e del generatore che impedisce al rotore di accelerare ed eventualmente raggiungere velocit¨¤ pericolose (ci sono
molti sistemi di sicurezza, incluso un freno d'emergenza, nel caso la corretta procedura di partenza fallisca).
Se si connette una grossa turbina con un normale interruttore sulla rete, si crea un picco di corrente (a causa del corrente richiesta per magnetizzare il generatore). Un altro sgradevole
effetto ¨¨ che ci sarebbe una brusca frenata della turbina. Per ovviare a questa situazione le moderne turbine sono azionate dolcemente; esse sono connesse e disconnesse dalla rete
gradatamente utilizzando dei tristori di potenza (questi dispositivi devono dissipare una notevole potenza, sono dunque dotati di ventole e dissipatori di calore in alluminio).
I tristori assorbono circa l'1-2% dell'energia che li attraversa, ma una volta che hanno commutalo, vengono baipassati da degli interruttori meccanici che sono attivati quando il transitorio
¨¨ esaurito, in modo da minimizzare le perdite.
Tensione e corrente sono misurate tipicamente 128 volte per periodo (50*128=6400 volte al secondo). Per questo scopo si utilizza un processore DSP che controlla la stabilit¨¤ della
frequenza e la potenza attiva e reattiva prodotta dalla turbina.
Per assicurare una buona qualit¨¤ il sistema di controllo inserisce o toglie un grande numero di capacit¨¤ che variano la potenza reattiva (l'angolo fra tensione e corrente).
La potenza d'uscita aumenta con l'area.
l'area del disco coperto dal rotore (e la velocit¨¤ del vento) determina quanta energia si possa produrre. La figura da un'idea delle dimensioni.
Una tipica turbina con un generatore da 600kW ha un rotore del diametro di 43m. Il diametro pu¨° variare, perch¨¦ i costruttori ottimizzano le macchine rispetto alle condizioni del
luogo ove saranno ubicate. Se si installa una turbina in un luogo con vento debole, per massimizzare la produzione d'energia, o si utilizza un generatore pi¨´ piccolo, oppure si aumenta
la dimensione dell'elica. Per una macchina da 600 kW il diametro pu¨° variare da 39 a 48m.
I componenti sono progettati per durare almeno 20 anni; cio¨¨ devono funzionare per almeno 120.000 ore lavorative, spesso con condizioni meteorologiche avverse.
Le grandi turbine sono equipaggiate con sistemi di sicurezza che assicurano il perfetto funzionamento ed evitano rotture.
Uno dei pi¨´ classici, e pi¨´ importanti sistemi di sicurezza, ¨¨ il sensore per le vibrazioni mostrato in figura.
Esso consiste semplicemente in una sfera posta su un anello; la sfera ¨¨ collegata ad un interruttore, e se la turbina inizia a vibrare, la sfera esce dall'anello e disattiva la turbina. Ci sono molti altri sensori nella gondola, ad esempio termocoppie che misurano la temperatura di tutti i componenti a rischio di surriscaldamento.
E' essenziale che le turbine eoliche si fermino automaticamente in caso di malfunzionamento di un componente critico. Di solito coi sono due sistemi di frenaggio indipendenti.
il sistema di frenaggio principale ¨¨ di tipo aerodinamico, esso consiste essenzialmente nel ruotare di circa 90¡ã le pale dell'elica lungo il loro asse longitudinale (nel caso di
turbine con pitch control o con controllo attivo dello stallo), oppure nel ruotare sempre di 90¡ã l'estremit¨¤ delle pale (nel caso di controllo passivo dello stallo).
Questo sistema ¨¨ congegnato in modo che si attivi automaticamente quando il sistema idraulico perde pressione. Quando la situazione di pericolo ¨¨ terminata, con il sistema
idraulico, si ripristina la situazione originaria.
L'esperienza ha dimostrato che questo tipo di sistema ¨¨ estremamente sicuro; la turbina si fermer¨¤ in al massimo in un paio di giri, ed il rallentamento ¨¨ dolce, e privo
d'alcuno stress per il sistema.
Il metodo normale per fermare una turbina (per qualsiasi motivo) ¨¨ tramite il freno aerodinamico.
Il freno meccanico ¨¨ usato come sistema di riserva, ed anche per mantenerla ferma per lunghi periodi dopo averla frenata aerodinamicamente. Questo tipo di freno ¨¨ utilizzato raramente.
Il grafico da un'idea sul costo di una turbina moderna. Come si pu¨° vedere per ogni dimensione del generatore il prezzo varia perch¨¦ a seconda del luogo in cui sar¨¤
ubicata, la torre potr¨¤ essere pi¨´ alta o pi¨´ bassa, il diametro del rotore dipende dai venti pur avendo la stessa potenza.
L'investimento per la realizzazione chiavi in mano di una centrale eolica ¨¨, in media, dell'ordine di 2 milioni di lire per kW di potenza installata( per turbine da 600kW). Tuttavia in
Danimarca, le macchine con potenze pari a 500-600 kW, hanno un costo per kW installato che varia tra 1,57 a 1,83 MLit. In particolare, ¨¨ da prevedere una riduzione del costo della
potenza installata al crescere della taglia unitaria delle macchine. Infatti, in Germania si ¨¨ passati dai 2,4MLit per macchine intorno ai 150 kW, a 1,8MLit per macchine da circa 300 kW,
fino a 1,7MLit per macchine di 600 kW.
Il costo annuo d'esercizio e manutenzione ¨¨, in genere, pari al 3% dell'investimento, e la cosiddetta "disponibilit¨¤" delle macchine (rapporto tra il numero d'ore durante il quale l'aerogeneratore ¨¨ "disponibile" per la produzione d'energia e il numero d'ore dell'anno) ¨¨ vicina al 98%. Per ci¨° che concerne il costo dell'energia, dipendente anche dalle condizioni anemologiche del sito, va ricordato quanto ¨¨ emerso dal 3¡ã Non Fossil Fuel Obligation (NFFO), in Inghilterra, Galles e Scozia: l'energia ¨¨ stata pagata a costi variabili da 90 e 142 lire/kWh. Nel 4¡ã NFFO c'¨¨ stata un ulteriore riduzione con costi compresi tra 84 e 123 lire/kWh.
Anche per il costo dell'energia, si ¨¨ potuto, inoltre, costatare l'effetto della taglia dell'aerogeneratore. In Danimarca, ad esempio, ¨¨ stato valutato un decremento quasi lineare del costo dell'energia: si ¨¨ passati da lire 183 lire/kWh per macchine da 100 kW a 70 lire/kWh per macchine da 600 kW, a parit¨¤ d'altre condizioni.
L'Unione Europea, in effetti, ha fissato come obiettivo da raggiungere attraverso i propri programmi, un costo dell'energia da fonte eolica di circa 77 lire/kWh; un costo, che, come si ¨¨ visto, ¨¨ gi¨¤ ottenibile con le migliori macchine in siti con una buona ventosit¨¤.
Un altro elemento da tenere in considerazione per valutare il costo unitario dell'energia eolica sono le condizioni d'accesso al capitale: negli ultimi 10 anni il tasso d'interesse praticato sui progetti ha subito un progressivo calo in tutti i paesi europei. Queste cifre indicano chiaramente che l'eolico ha raggiunto un buon livello di maturit¨¤ tecnologica e costi di produzione dell'energia elettrica sufficientemente bassi da consentirne, in presenza di tariffe che ne riconoscano il basso impatto ambientale, la diffusione nel mercato energetico.
Assumendo che: la velocit¨¤ media del vento, che passa attraverso il rotore, sia data dalla media della media della velocit¨¤ del vento indisturbato, prima e dopo la turbina. La
massa dell'aria che attraversa il rotore in un secondo ¨¨:
¦Ñ ¨¨ la densit¨¤, F ¨¨ l'area ricoperta dal rotore.
La potenza estratta (in c¨¬accordo con la seconda legge di Newton) ¨¨:
Sostituendo m, abbiamo la seguente espressione per la potenza estratta dal vento:
Compariamolo con la potenza totale contenuta nel vento indisturbato P0:
Il rapporto fra la potenza estratta e la potenza del vento indisturbato ¨¨:
possiamo disegnare
in funzione di 
:
possiamo vedere come la funzione raggiunge il suo massimo per a cui corrisponde in valore della potenza ricavabile dal vento pari a 0,59 assia 16/27 della potenza totale in esso contenuta.