Mar 252019
 

A causa dei cambiamenti climatici dovuti allo smog, alle emissioni di CO2 nell’atmosfera, i fenomeni atmosferici stanno diventando sempre più violenti e intensi. Normalmente, a causa della differenza di temperatura tra l’acqua e l’aria, si sviluppano grandi vortici d’aria che prendono il nome di uragani se si sviluppano sull’Oceano Atlantico, o tifoni se, invece, si sviluppano sull’Oceano Pacifico.
L’idea di poter controllare questa immane potenza, con venti che superano i 300 km/h, tra le forze della natura una delle più devastanti capace di lasciare dietro di se una scia di distruzione e morte, è venuta all’ingegnere giapponese Atsushi Shimizu. Il Giappone si sa, è terra soggetta ogni anno all’azione di questi impetuosi venti. Egli ha ideato una nuova turbina eolica capace di sfruttare questi violentissimi venti di burrasca senza subire danni.

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.

I suoi studi sono partiti dall’osservazione delle turbine ad asse verticale, indifferenti alla velocità del vento e capaci di sopportare sollecitazioni molto superiori a quelle tollerate dalle turbine classiche.
Il principio su cui è fondata questa nuova turbina oltre che, ad essere imperniata su un asse verticale, è quello di adottare il cosiddetto effetto Magnus. Di cosa si tratta? E’ un effetto fisico che riguarda il moto dei corpi nell’aria. Se ad un corpo che si muove nell’aria viene aggiunta una rotazione iniziale, questa induce il corpo a deviare dalla trattoria parabolica che stava seguendo. Per fare un esempio immaginiamo un pallone da calcio che viene calciato dall’angolo e in aria devia secondo una curva che lo conduce verso il palo esterno della porta. A conferire questa curvatura non è la spinta iniziale (il calcio), bensì la rotazione data alla palla quando viene colpita. Questa componente rotazionale devia verso la traiettoria della palla che, non segue più un moto rettilineo, bensì uno curvilineo.

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.
Secondo l’Atlantic Oceanographic & Meteorological Laboratory, un tifone nel pieno della sua forza è in grado di generare energia cinetica capace di fornire circa la metà dell’energia elettrica prodotta da tutto il mondo quindi, se Shimizu riuscirà a imbrigliare questi venti, riuscirà a fornire energia a tutto il Giappone per oltre cinquant’anni.

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Dic 282015
 
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Anche il VENTO, come l’ACQUA e il SOLE, può essere considerata una fonte di energia e essere sfruttata per convertire la sua forma (energia eolica o cinetica delle masse d’aria) in un’altra forma.

Approfondisco: iPrincipio di Conservazione dell’Energia afferma che “l’energia non si può creare ne distruggere, ma solo trasformare, ossia passare da una forma ad un’altra.

Approfondisco: una Fonte di Energia è l’elemento naturale a disposizione dell’uomo da cui trarre l’energia. Una Forma di Energia, è la modalità in cui l’energia si manifesta. Sono ad esempio fonti, l’acqua, il Sole, il petrolio, il carbone, i rifiuti. Queste possono manifestare l’energia che possiedono in diversi modi, come ad esempio: energia termica, chimica, meccanica, luminosa, sonora, ecc.

Wind-FlagSi 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 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 di queste masse d’aria e quindi il vento. Un’altra delle cause del VENTO è la rotazione terrestre.

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VENTO PRO E CONTRO

Il vento è una fonte naturale presente in qualche modo su tutta la superficie terrestre capace di generare in alcuni luoghi una grande quantità di energia.

PRO – il vento è una fonte inesauribilegratuita e non inquinante.

CONTRO – il vento è una forma di energia incostante perché non è presente in tutti i luoghi in maniera costante, cambia spesso di intensità e di direzione.

DALL’ENERGIA CINETICA A QUELLA ELETTRICA

Passaggi-eolico

L’energia contenuta nel vento prende il nome di Energia Eolica ed altro non è che lo spostamento di masse d’aria dal basso verso l’alto o viceversa, ossia Energia Cinetica delle masse d’aria. Per sfruttare questa forma di energia e trasformarla in elettricità, vengono realizzati degli appositi aero-genreatori, una sorta di giganteschi mulini a vento capaci di ruotare anche con venti minimi, trasformando l’energia cinetica in Energia Meccanica. La rotazione delle pale, impone una rotazione ad un rotore che, è collegato ad un generatore elettrico (alternatore) trasformando in questo modo, l’energia meccanica in Energia Elettrica.

AERO-GENERATORI E WIND FARM

WindFARM

Una centrale eolica, chiamata anche wind-farm è costituita da una serie di torri metalliche che montano in cima una grande elica detti aero-generatori. Questi possono sorgere sia sulla terra ferma che in mezzo al mare (wind-farm off-shore) dove il vento soffia più intenso e costante.

EolicoSchema

Un aero-generatore è costituito da 3 parti fondamentali, pale e rotore, gondola o navicella e torre. A questa si aggiungono tutti i sistemi elettrici e di collegamento.

Aerogeneratore

Il rotore è la parte rotante dell’impianto ed è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale (di norma 2 o 3) dell’aero-generatore.

Approfondisco: il mozzo è la parte centrale di una ruota o di un organo rotante che alloggia al suo interno dei cuscinetti a sfera in modo da consentire alla componente che verrà montata sopra di esso di ruotare.

Il mozzo permette la rotazione delle pale e connette il rotore con il guscio metallico che contiene tutti gli apparati meccanici e di controllo dell’aero-generatore chiamato gondola o navicella. Nella gondola sono contenuti l’albero di trasmissione lento, il moltiplicatore di giri, l’albero di trasmissione veloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari.

Gondola

L’albero di trasmissione lento è quello che connette il rotore con il resto degli apparati all’interno della gondola. Attraverso un moltiplicatore di giri ossia un sistema di ruote dentate di differente diametro (come i rapporti nel cambio di una bici), l’albero di trasmissione lento trasmette la rotazione delle pale, al generatore. In pratica, questo sistema di ruote dentate, preleva la rotazione del primo asse e la trasmette tramite un secondo asse chiamato albero di trasmissione veloce decisamente più rapido, al generatore elettrico o alternatore in modo da trasformare un quantità di energia maggiore.

Sulla coda della gondola, troviamo due apparati di regolazione dell’aero-generatore chiamati anemometro e timone.

Anemometro

Anemometro

L’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” l’aria. Comprende sensori di velocità e direzione. Il numero di giri al minuto viene registrato da un congegno elettronico che blocca automaticamente le pale con un sistema frenante qualora la velocità del vento sia superiore ai 25÷30 metri al secondo.

Il timone, molto simile alla coda di un aereo, serve per stabilire la direzione del vento. La sua rotazione trasmette un impulso ai sistemi di controllo che fanno ruotare la gondola sulla torre per posizionare le pale correttamente nella direzione del vento.

Interno-torre-eolica

Interno di una torre

La gondola, è montata attraverso un sistema di ingranaggi ad un sostegno tubolare chiamato torre che può avere, in base alle dimensioni, al suo interno sistemi di accesso verticale (scale o ascensori). L’altezza media di una torre e’ compresa tra i 40 e i 60 metri. E’ ancorata al terreno mediante strutture di fondazione o sistemi di galleggiamento quando sorge in mare. Alla base della torre troviamo anche il trasformatore elettrico e tutti gli altri apparati per la produzione e trasmissione dell’elettricità.

I PROBLEMI DI UNA WIND-FARM

Le centrali eoliche pur utilizzando come fonte energetica da trasformare il vento, inesauribile, gratuito e non inquinante hanno comunque degli effetti negativi sull’ambiente perché realizzano una profonda trasformazione del territorio (impatto ambientale), generano interferenze elettromagnetiche e creano disturbi al sistema faunistico, modificando i flussi d’aria che conducono gli uccelli nei loro percorsi migratori.

Inoltre, le torri non possono essere installate l’una vicino all’altra, ma debbono distanziarsi longitudinalmente e trasversalmente di almeno 100 metri per non interferire l’una sull’altra sottraendosi vento.

Per evitare i problemi visivi e di impatto ambientale e per risolvere i problemi di dimensione e distanza, le torri oggi vengono realizzate in mare dove sono cresciute enormemente in dimensione e potenza.

Dimensione pale

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Set 192012
 

A piccoli passi, ma inesorabilmente e nonostante la resistenza e reticenza delle grandi multinazionali del petrolio, le fonti alternative stanno pian piano diventando sempre più importanti e si avviano in un immediato futuro a rimpiazzare le costosissime e inquinanti fonti energetiche convenzionali.

Un mega progetto, nel nord della Francia, prevede la realizzazione di tre immensi parchi eolici off-shore, e il consorzio formato da EDF EN, Dong Energy e Nass & Wind e WPD Offshore, si è aggiudicato la commessa.

La società Alstom sarà il fornitore esclusivo di questo consorzio perché si è aggiudicata, a sua volta, la fornitura di 240 turbine eoliche per i tre parchi di Saint-Nazaire, Courseulles-sur-Mer e Fécamp. Alstom, fornirà HALIADE 150, la più grande turbina eolica mai costruita al mondo con i suoi 170 metri di altezza e un rotore del diametro di 150 metri. Questa turbina ruota alla velocità di 300 kilometri orari, generando una potenza di 6 megawatt. E’ stata progettata per resistere alle condizioni più estreme, e agli ambienti più ostili. La prima turbina è stata testata sulla terra ferma, ma la Haliade è una turbina off-shore, cioè funzionante in mezzo al mare dove il vento è più forte e minori sono i problemi di impatto ambientale. Questo test è stato effettuato sul sito di Carnet, vicino a Saint-Nazaire, nel dipartimento della Loira Atlantica (Francia) il 19 marzo di quest’anno. Un secondo test, sarà effettuato in mezzo al mare, nel Mare del Nord, di fronte alla costa belga prima di ottenere la certificazione e procedere all’installazione della centrale sull’oceano Atlantico. La produzione pre-serie è fissata per il 2013, mentre la produzione vera e propria comincerà nel 2014.

La torre sarà composta da una parte sottomarina per 25 metri e una parte emersa alta circa 75, su cui verrà installata la navicella. L’intera struttura ha un peso complessivo di circa 1.500 tonnellate.



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Gen 082012
 

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.

Ma cos’è il vento?

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:

  1. navicella o gondola;
  2. torre;
  3. rotore;
  4. anemometro;
  5. moltiplicatore di giri;
  6. generatore elettrico;
  7. sistema di controllo;
  8. supporto e cuscinetto;
  9. 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.

 


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.