Via terra o via mare, sin dall’antichità, gli uomini hanno utilizzato la forza del vento per compiere azioni altrimenti impossibili per le loro braccia. Sulla terraferma, l’energia eolica è stata sfruttata dai mulini a vento per macinare il grano, o per pompare l’acqua dai pozzi. In mare, invece, il vento ha permesso di spiegare le vele, dando la possibilità agli uomini di esplorare il Pianeta a bordo di un’imbarcazione.
Per convertire l'energia eolica in energia elettrica è necessario catturare la forza del vento grazie ad un aerogeneratore, una versione moderna degli antichi mulini.
Generatore eolico ad asse orizzontale
Quando il vento soffia con sufficiente intensità, la sua forza attiva le pale, il cui movimento innesca un rotore, racchiuso all’interno di un telaio chiamato navicella sorretto da una torre.
Torre: struttura che sostiene la navicella e le pale. Altezza media attorno ai 90 metri;
Rotore: parte della turbina alla quale sono attaccate le pale;
Pale: permettono di sfruttare il vento per far ruotare il rotore e quindi
produrre elettricità. Sono solitamente 3 per ogni turbina e ruotano a
una velocità compresa tra i 10 e i 25 giri al minuto;
Navicella: struttura situata sopra alla torre all'interno della quale sono presenti
i componenti necessari per convertire l'energia cinetica del rotore in
elettricità.
La produzione di energia elettrica tramite turbine eoliche avviene solamente quando soffia il vento: questo spostamento d'aria è in grado di far ruotare le pale che, a loro volta, trasferiscono questo movimento al rotore. E' necessaria una velocità minima del vento chiamata "cut-in" che è di solito compresa tra i 10 e i 15 km/h, mentre oltre i 90 Km/h l'aerogeneratore si arresta
per motivi di sicurezza. I sistemi di imbardata permettono
l'orientamento della navicella a seconda della direzione del vento.
Il moto del rotore viene trasmesso ad un moltiplicatore di giri. Un moltiplicatore di giri trasforma la rotazione lenta delle pale (tra i 18 e i 25 giri al minuto) in una rotazione più veloce (fino a 3600 giri al minuto) in grado di far funzionare il generatore di elettricità o alternatore, che ha il compito di trasformare l’energia meccanica in elettrica. Durante tutto il processo un sistema di controllo monitora il funzionamento dell’intera navicella, così da assicurare che il tutto avvenga con il massimo dell’efficienza.
Una volta prodotta, la corrente viene trasferita tramite un cavidotto ad un trasformatore, che raccoglie tutta l’elettricità generata dalle numerose pale del parco eolico e la rende disponibile sulla rete.
Parchi eolici
Per produrre energia eolica solitamente vengono realizzati dei parchi eolici, cioè dei siti all'interno dei quali vengono installati più generatori eolici.
I parchi possono essere di tre tipi:
on-shore → si trovano sulla terraferma, ad almeno 3 km dalle coste;
near-shore → si trovano sulla terraferma, a meno di 3 km dalle coste;
off-shore → si trovano in mare aperto (o all'interno dei laghi) e la loro distanza dalle coste è variabile.
Generatore eolico ad asse verticale
Un generatore eolico ad asse di rotazione verticale è un tipo di macchina eolica contraddistinta principalmente dalla loro indipendenza dalla direzione del vento che permette loro di lavorare con vento proveniente da tutte le direzioni senza doversi ruotare per allinearsi. Inoltre la struttura più compatta le conferisce un'alta resistenza alle forti raffiche di vento.
In generale le turbine ad asse orizzontale lavorano meglio di quelle ad asse verticale in condizioni di flusso poco turbolento e con direzione costante mentre le turbine ad asse verticale lavorano meglio se il flusso è caratterizzato da elevata turbolenza e frequenti cambi di direzione. Inoltre le turbine ad asse verticale risultano meno rumorose rispetto alle turbine ad asse orizzontale.
Per i motivi sopraesposti solitamente si preferisce istallare turbine ad asse orizzontale in luoghi non abitati, soprattutto sulle cime delle montagne e in mare mentre si istallano sempre più frequentemente turbine asse verticale in zone abitate o comunque prossime ad un’abitazione
Tuttavia sulle turbine ad asse verticale pesa il fatto che, mentre una parte del rotore, indipendentemente da dove provenga il vento, spira nella direzione del vento che aiuta il movimento delle pale, dall’altra parte il vento fluirà sempre nella direzione opposta alla rotazione. Questa semplice considerazione è alla base del minore rendimento aerodinamico rispetto alle turbine ad asse orizzontale che hanno prestazioni almeno del 40% superiori rispetto a quelle ad asse verticale.
Generatore elettrico
Il generatore sincrono genera corrente a frequenza variabile a seconda della velocità del vento. L’energia elettrica prodotta viene inviata a un convertitore AC-DC-AC per portare frequenza e tensione ai valori imposti dalla rete
Il generatore asincrono genera corrente alla frequenza di rete indipendentemente dalla velocità di rotazione delle pale.
Tale soluzione tecnologica, molto diffusa negli aerogeneratori di grande taglia, rappresenta un compromesso, in termini di costi e prestazioni.
Impianto eolico domestico
Quando si parla di impianto eolico domestico si fa di solito riferimento a due tipi: il minieolico e il microeolico.
Differenza tra mini eolico e micro eolico
La differenza tra mini eolico e micro eolico domestico riguarda principalmente la potenza e le dimensioni dell’impianto. Il minieolico si riferisce a turbine di piccole dimensioni, solitamente con una potenza fino a 20 kW, adatte quindi per un utilizzo residenziale.
L’impianto micro eolico, invece, ha turbine ancora più piccole, con una potenza inferiore a 1 kW, utilizzate principalmente per applicazioni di bassa potenza come la ricarica di batterie o l’illuminazione.
Negli impianti domestici la struttura del palo di sostegno non dovrà superare i 10 metri.
Componenti di un impianto eolico domestico
Per quanto riguarda la struttura dell’impianto eolico domestico, è opportuno evidenziare le componenti principali:
Generatore eolico (pale eoliche)
Regolatore di carica (impianti stand alone)
Batterie d’accumulo (impianti stand alone)
Inverter
Grazie al funzionamento di queste componenti, la produzione di energia elettrica avviene come segue:
Generatore eolico: produce energia elettrica, la cui tensione trifase può cambiare in base all’intensità e alla continuità del vento che muove le pale.
Regolatore di carica: si occupa di monitorarne il flusso di energia elettrica alle batterie di accumulo. La corrente trifase prodotta dal generatore eolico viene trasformata in corrente continua e viene regolata per una corretta carica delle batterie.
Batterie di accumulo: immagazzinano l’energia elettrica prodotta per alimentare le utenze dell’abitazione.
Inverter: trasforma la corrente continua delle batterie in corrente alternata 220V e 50Hz per alimentare l'impianto dell'abitazione.
Impianti stand-alone e grid connected
Impianti stand alone (o autonomi): questi impianti non sono connessi alla rete elettrica di distribuzione, per cui l’energia prodotta viene utilizzata per coprire il fabbisogno del singolo edificio sul quale vengono installati. Gli impianti stand alone rappresentano la soluzione ideale per assicurare la produzione di energia anche nelle zone lontane dalla rete elettrica di distribuzione. Hanno bisogno di batterie di accululo e di un sistema di gestione delle batterie.
L'inverter utilizzato in questa tipologia di impianti non può essere usato per l'immissione nella rete del gestore dell'energia elettrica
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| Impianti stand alone |
Impianti grid-connected (o connessi alla rete): in questo caso l’impianto è connesso alla rete elettrica. L’energia prodotta viene immessa nella rete di distribuzione del gestore quando disponibile, mentre viceversa viene fornita dal gestore della rete elettrica, nelle ore in cui l’impianto non produce energia. L’energia elettrica prodotta immessa nella rete, costituisce un credito per l’utente. Non si ha bisogno di batterie di accumulo.
L'inverter
utilizzato in questa tipologia di impianti funziona solo se collegato alla rete del gestore dell'energia elettrica.
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| Impianti grid-connected |
Ricordiamo che la potenza elettrica è il prodotto della tenzione per la corrente:
P = V x I
di conseguenza, a parità di potenza istallata, in un impianto che lavora ad una tensione più alta circola meno corrente.
Esempio:
in un impianto da 1kW che lavora a 12V circolerà una corrente
I=1000W / 12V = 83.3A
nello stesso impianto che lavora a 48V circolerà una corrente
I=1000W / 48V = 20.8A
