Un impianto eolico è costituito da un gruppo di aerogeneratori di media (600-900 kW) o grande (>1MW) taglia, disposti sul territorio in modo da meglio sfruttare la risorsa eolica del sito; gli areogeneratori sono connessi fra loro elettricamente attraverso un cavidotto interrato. All’impianto eolico e’ associata una cabina-stazione di consegna che, a sua volta, e’ connessa alla rete elettrica nazionale. Gli aerogeneratori sono costituiti essenzialmente da una navicella o gondola, sostenuta da una struttura metallica, alla quale e’ connesso un rotore; il rotore e’ costituito dalle pale fissate su di un mozzo e progettate per sottrarre al vento parte della sua energia cinetica per trasformarla in energia meccanica. Al soffiare del vento il rotore gira e aziona a sua volta il generatore elettrico, tramite un moltiplicatore di giri, che ha la funzione di trasformare l’energia meccanica in energia elettrica.
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. L’energia elettrica prodotta in navicella viene convogliata al suolo attraverso cavi elettrici; sempre al suolo vengono inviati mediante opportuni cavi i segnali necessari per il controllo del corretto funzionamento dell’aerogeneratore.

Impatto ambientale

Possibili effetti indesiderati a livello locale sono:

  • l’occupazione del territorio
  • l’impatto visivo
  • il rumore
  • le interferenze elettromagnetiche
  • gli effetti dannosi sulla flora e la fauna locale

Occupazione del territorio

Il terreno necessario per realizzare un impianto eolico è complessivamente vasto, dal momento che bisogna calcolare anche la distanza fra un generatore e l’altro. Da questo punto di vista, la densità di potenza (10 watt per metro quadrato) è piuttosto bassa. Se, però, si tiene conto del fatto che le macchine eoliche e le opere di supporto occupano solo il 2 – 3% del territorio, la densità cresce a centinaia di watt per metro quadrato e lo spazio tra una macchina e l’altra può comunque essere impiegato per l’agricoltura o la pastorizia.

Impatto visivo

L’impatto visivo di un aerogeneratore alto dai 40 ai 60 metri è evidente, ma può essere ridimensionato realizzando gli impianti a una certa distanza dai centri abitati più vicini. Oggi si tende a diminuire l’impatto visivo disponendo le macchine su una sola fila e utilizzando i colori neutri(come il bianco).
Il minor impatto ambientale-paesaggistico si ottiene anche collocando gli impianti in mare aperto oltre l’orizzonte visibile dalle coste. Sono comunque allo studio soluzioni costruttive meno visibili anche per le installazioni terrestri. Si può ricorrere al mimetismo di carattere cromatico che consiste nel rendere i colori delle torri eoliche simili a quelli del paesaggio circostante (per esempio la parte inferiore che si mimetizza con il verde della campagna, mentre la parte superiore gradatamente azzurra come il cielo), oppure al mimetismo delle forme integrando i sistemi eolici su strutture preesistenti.

Rumore

L’inquinamento acustico potenziale degli aerogeneratori è legato a due tipi di rumori: quello meccanico proveniente dal generatore e quello aerodinamico proveniente dalle pale del rotore.
Per quanto riguarda il rumore, in termini di decibel, il ronzio degli aerogeneratori è ben al di sotto del rumore che si percepisce in città. Allontanandosi di trecento metri da una wind-farm si rilevano gli stessi decibel che si avvertono normalmente stando nel traffico o nelle vicinanze di molte industrie. Attualmente comunque gli aerogeneratori ad alta tecnologia sono molto silenziosi. Si è calcolato che, ad una distanza superiore a circa 200 metri circa, il rumore della rotazione dovuto alle pale del rotore si confonde completamente col rumore del vento che attraversa la vegetazione circostante.
Interferenze sulle telecomunicazioni ed effetti elettromagnetici
Le possibili interferenze ai danni di apparecchi di telecomunicazione sono poco rilevanti. Come qualsiasi ostacolo, infatti, anche la macchina eolica può interferire con la propagazione delle telecomunicazioni, ma un’adeguata distanza rende tale interferenza trascurabile.

Effetti su flora e fauna

Quanto alle possibili alterazioni di flora e fauna, sulla base delle informazioni disponibili, si è verificato che le possibili interferenze di qualche rilievo riguardano solo l’impatto dei volatili con il rotore delle macchine. In genere le collisioni sono rare e per lo più limitate ai rapaci. Gli uccelli migratori sembrano, invece, adattarsi alla presenza di questi ostacoli. Studi specifici a questo riguardo sono stati condotti dal Rin (Research Institute for Nature Management) che ha potuto constatare che le perdite sono comunque inferiori a quelle dovute al traffico di auto e ai pali della luce e del telefono.
In conclusione, se si rispettano alcune accortezze nella fase di progettazione di una wind-farm, tra tutte le industrie produttrici di energia, quella eolica è fra le più pulite e sicure. Durante il funzionamento non produce sostanze inquinanti, polveri e calore e anche dopo lo smantellamento tutto può tornare come prima, senza lasciare traccia né danni all’ambiente e alle persone.

Il generatore eolico

La trasformazione dell’energia cinetica posseduta dal vento in energia elettrica richiede macchine complesse e molto sofisticate. La progettazione e costruzione di queste macchine è al giorno d’oggi uno dei settori della meccanica più all’avanguardia con tecnologie paragonabili a quelle dell’industria aeronautica e aerospaziale.
Lo sviluppo continuo delle conoscenze aerodinamiche nel settore, la ricerca di nuovi materiali e di sistemi di controllo sempre più sofisticati (sempre più spesso affidati a sistemi computerizzati e tele-controllati) rendono spesso obsolete macchine progettate solo pochi anni fa.
Le macchine attualmente in uso o in sviluppo hanno raggiunto potenze e dimensioni inimmaginabili se paragonate a quelle di 10 anni fa raggiungendo ormai frequentemente i 5 MW di potenza nominale e superando in molti casi i 100 m di diametro del rotore.
Fermo restando lo sviluppo frenetico delle macchine odierne, l’impostazione generale degli aerogeneratori è rimasto sostanzialmente inalterato.
Lo sviluppo è infatti principalmente incentrato sull’ottimizzazione degli elementi di base costituenti le macchine che permettono di raggiungere prestazioni sempre più elevate.
Una conoscenza di base delle macchine eoliche e delle sue parti principali, nonché la conoscenza del modo di funzionamento dei singoli componenti, risultano essere indispensabili per chiunque si interessi di energie rinnovabili (molte componenti sono comuni anche in altri tipi di sfruttamento di energie rinnovabili) ed in modo particolare per coloro che intendono sviluppare progetti per lo sfruttamento dell’energia eolica.

ELEMENTI PRINCIPALI DI UN AEROGENERATORE

Navicella: la parte principale della macchina, in essa sono contenuti il generatore, i moltiplicatori i giri, i freni, gli attuatori del “pitch control” e del “yaw control”.
Rotore: è l’insieme formato dal gruppo pale, il mozzo, l’albero lento e il meccanismo del “pitch control”.
Torre di sostegno: oltre a tenere in posizione la macchina, ha il compito di assorbire le vibrazioni provenienti dalla navicella evitando che le stesse vadano a scaricarsi eccessivamente sul basamento e sulle fondazioni.
Sistemi di misura: i sistemi di misura (anemometri e indicatori di direzione del vento) sono generalmente montati sulla sommità della navicella, servono a configurare correttamente la macchina a seconda della direzione e dell’intensità del vento.
Sistemi di controllo: monitorando continuamente una serie di parametri della macchina, sovrintendono al corretto funzionamento e permettono una rapida messa in sicurezza in caso di avaria.
Sistemi accessori: sistemi opzionali che permettono un uso migliore della macchina (sistemi di telecontrollo, montacarichi e ascensori per il personale di manutenzione, ecc.).

YAW CONTROL

L’ angolo di YAW è l’ angolo di rotazione della navicella sul proprio asse verticale.

Dal momento che la macchina deve sempre essere allineata rispetto al vento, un sistema di movimentazione attivo formato da attuatori elettrici e relativi riduttori, provvede a movimentare la navicella a seconda della direzione di provenienza del vento registrata da un apposito strumento (indicatore di direzione) posto nella parte posteriore della navicella stessa.

IL ROTORE DELL’ AEROGENERATORE

Il rotore è poi montato sulla navicella, tramite un’ apposita flangia con cuscinetti, con asse orizzontale o leggermente inclinato verso l’ alto.

Il rotore può essere di due tipi:
1. Sottovento.
Ha il vantaggio di:
Essere autoallineante rispetto al vento;
Può avere pale più flessibili;
È più leggero
Ha però i seguenti svantaggi:
Essere fortemente schermato dalla torre;
Generare carichi pulsanti su tutta la struttura;
Ha un’ efficienza minore.
2. Sopravento
Il rotore sopravento ha il vantaggio di essere più efficiente, ma richiede pale più rigide ed una maggior distanza del rotore dalla torre.

CONFIGURAZIONE DELLE PALE ROTORICHE

Le pale più utilizzate negli aerogeneratori sono realizzate in fibra di vetro o alluminio e hanno un profilo simile a quello delle ali degli aerei.
Recentemente sono comparse sul mercato anche pale in fibra di carbonio, più leggere e rigide ma molto più costose.
Fermo restando altre possibilità, negli aerogeneratori moderni prevalgono tre tipi di configurazione:

1. ROTORI TRIPALA:
con tre pale montate a 120° meccanici l’ una rispetto all’ altra e con numero di giri caratteristico di circa 30 rpm, è la configurazione più diffusa poiché, se pur a fronte di costi di trasporto e di costruzione maggiori, è quello con il miglior rapporto costo/potenza sviluppata.

2. ROTORI BIPALA:
con due pale montate a 180° meccanici l’ una rispetto all’ altra e con numero di giri caratteristico di circa 40 rpm, ha un costo minore dei rotori tripala ma ha un’ efficienza minore e risente maggiormente della presenza della torre e della velocità al suolo minore che in quota.

Generalmente è provvisto di mozzo oscillante che gli consente di equilibrare la spinta asimmetrica sul rotore.

3. ROTORI MONOPALA:
con una sola pala e munito di contrappeso, è la soluzione meno costosa e quella più indicata nel caso di siti poco accessibili.

Il rotore deve sempre essere provvisto di mozzo oscillante ed ha solitamente un’efficienza inferiore ai rotori multipala.

Produttività dell’Aerogeneratore

Stimare la produttività, cioè l’ energia che si prevede complessivamente di produrre in un anno di servizio, è la maniera più affidabile per stabilire se una determinata turbina è adeguata per le nostre esigenze.
Questo dato non è facile da calcolare e dipende da molteplici fattori, tra i quali:

  • La curva di potenza della turbina
  • L’ altezza della torre
  • La velocità media del vento nella zona di applicazione e la frequenza con cui il vento soffia ad una determinata velocità.

Il vento è per definizione una fonte di energia incostante e aleatoria, che rende difficile una previsione esatta dell’elettricità ricavabile da un impianto eolico.
Tuttavia, conoscendo da una parte le caratteristiche del vento in un determinato sito e dall’altra le caratteristiche tecniche del generatore eolico, è possibile arrivare a una stima realistica della producibilità elettrica in un intervallo di tempo, ad esempio su base annua.
La potenza del vento è una funzione della densità dell’aria, dell’area spazzata dal vento e della velocità istantanea del vento.
Questo significa che l’incremento di ognuno di questi fattori aumenta la potenza estraibile dal vento.

  • La velocità del vento: la potenza del vento aumenta in maniera proporzionale al cubo della sua velocità. In altre parole, raddoppiando la velocità del vento, la sua potenza aumenta non di due bensì di otto volte (2 x 2 x 2 = 8).
  • La densità dell’aria: la potenza del vento è proporzionale anche alla densità dell’aria. La densità è maggiore alle basse temperature, ad esempio in inverno, e in condizioni di alta pressione. La densità del vento influisce positivamente sulla sua potenza, in percentuali stimabili attorno al 10-20%.
  • L’area spazzata dal vento: la potenza che il vento trasmette a un generatore eolico è direttamente proporzionale all’area spazzata, cioè al raggio delle pale. Piccoli aumenti del diametro del rotore assicurano notevoli aumenti nella resa energetica.

Un’ indicazione della produttività si può ricavare calcolando il cosiddetto Annual Energy Output (AEO), che viene determinato mediante la seguente formula:

AEO = 1,60 x D2 x V3

In cui:

AEO è l’ energia prodotta espressa in kWh/anno
D è il diametro del rotore
V è la velocità media annua del vento in m/s