A questo proposito è giusto richiamare l'attenzione all'accentuarsi per cause antropiche del fenomeno dell'effetto serra e di valutarne con attenzione le possibili conseguenze che potrebbe arrecare al clima, poichè, non sappiamo, in un sistema complesso, prevedere se l'aumento della temperatura di un grado a livello globale, possa poi a livello locale provocare variazioni di notevole entità.

Come si è visto, il vento è un effetto secondario dell'irradiazione solare, cioè lo spostamento di enormi masse d'aria in vari punti dell'atmosfera, con caratteristiche variabili di velocità e di forme di moto, dovute al diverso riscaldamento dell'aria nelle varie zone del pianeta, da quelle a più alta pressione a quelle a più bassa pressione. Infatti, abbiamo un minore riscaldamento ai poli e quindi una maggiore pressione ed una minore pressione nella fascia equatoriale per il maggiore riscaldamento. Scendendo dai poli verso l'equatore, dalla zona di alta pressione polare, si incontra una zona di bassa pressione subpolare, causata dalle masse oceaniche; a seguire abbiamo una fascia di alte pressioni subtropicale, con venti variabili ed infine la zona di bassa pressione equatoriale. Al fine di ripristinare le condizioni di equilibrio termico, che a sua volta determinano differenze di equilibrio barico (il gradiente barico orizzontale è il rapporto tra la differenza di pressione tra due punti e la distanza che li separa la cui unità di misura è uguale a un millibar per un grado di meridiano = 1mb/111km ), tra le masse d'aria a diverse temperature, si innescano dei moti convettivi di enormi proporzioni e correnti che sconvolgono tutta l'atmosfera.

Inoltre, la rotazione della terra, determina una variazione della direzione delle correnti atmosferiche (forza geostrofica o di Coriolis), deviando le correnti verso destra nell'emisfero settendrionale e verso sinistra in quello meridionale, calcolabile con una formula che tiene conto della velocità del vento (V), la velocità angolare della terra (w) e la latitudine (&) (A=2wVsen&). Anche la superficie della terra influenza l'andamento del vento, provocandone rallentamenti per attrito e mutazioni di direzione ed intensità (vento a raffiche, vento turbinoso, vento di groppo). I venti possono essere anche regolari costanti, se spirano nella stessa direzione (alisei e controalisei), regolari periodici, se spirano periodicamente nei due sensi, come i (monsoni e le brezze), dovute al diverso riscaldamento tra terra e mare; irregolari in quanto originati da eventi atmosferici accidentali ed aperiodici.

Nell'alta troposfera, le correnti d'aria, non avendo ostacoli nella circolazione aumentano di velocità e per l'inversione barica, cioè la presenza di alte pressioni ad alta quota nella fascia dell'equatore e di basse pressioni sempre ad alta quota ai poli, dovute al diverso spessore della troposfera, maggiore all'equatore, si formano forti correnti verso i poli.Queste vengono deviate dalla rotazione della terra, le correnti occidentali da est verso ovest e quelle orientali da ovest verso est. Tali correnti possono raggiungere i 500 km/h (correnti a getto), dall'andamento ciclico, la cui conformazione morfologica in espansione ed evoluzione potrebbe essere l'origine di cicloni ed anticicloni nelle medie latitudini.

Per la stima empirica della velocità del vento si ricorre alla scala di Beaufort del vento, in base alla quale, osservando gli effetti prodotti dal vento su oggetti comuni, come foglie e rami di alberi ecc., si riesce a stabilirne l' intensità. Lo strumento più utilizzato per la misura della velocità del vento è l'anemometro, costituito da tre coppi rotanti su un asse centrale verticale ed un sistema elettrico od elettronico di trasduzione del moto di rotazione in m/s o km/h. La velocità dei venti aumenta con l'altezza da terra e risente molto della presenza di ostacoli posti anche a notevoli distanze, ed anche della conformazione del territorio. Infatti, dietro un dosso la corrente d'aria si espande perdendo velocità, mentre in uno stretto passaggio tra due colline si concentra aumentando di velocità. Per la direzione dei venti si ricorre alla rosa dei venti espressa in gradi da 0° a 360° e dai nomi che fanno riferimento alla direzione di provenienza, come Tramontana per quelli provenienti da nord, Grecale per i venti nord - est, di Levante per i venti da est, di Scirocco per i venti da sud - est, di Ponente per i venti da ovest, di Maestrale per i venti da nord - ovest, Libeccio per quelli da sud - ovest.

Gli strumenti che si usano per visualizzare la direzione del vento sono gli anemoscopi, (banderuole metalliche orientabili), oppure la manica a vento, (un lungo canestro di tessuto rosso e bianco fisso su un asse girevole).

A volte il vento si manifesta con intensità elevatissime e distruttive come nelle trombe d'aria, tornado ed uragani. Sia i tornado che le trombe d'aria generano dei vortici ad alta velocità, ma il diametro varia, dalla decina di metri delle trombe d'aria, al centinaio per i tornado con velocità che possono raggiungere i 500 e più km/h. Gli uragani sono delle tempeste che si formano negli oceani tropicali con venti che possono superare i 300 km/h che circolano a spirale, su di un centro di calma detto occhio. Secondo la zona di origine prendono il nome di tifoni, se si formano sull'Oceano Pacifico; cicloni nella parte settendrionale dell'Oceano Indiano e willy-willies in Australia; uragani sull'Oceano Atlantico.

UTILIZZAZIONE DELL'ENERGIA DEL VENTO

Gli egizi usavano 5000 anni fa il vento come forza motrice per spostarsi con le barche nel Nilo, rimanendo da allora fino quasi ad oggi l'unica fonte energetica di trazione per le imbarcazioni, permettendo all'uomo di spostarsi in tutto il mondo, di commerciare e scambiare cultura.

La forza del vento è stata utilizzata in epoche remote in Persia per azionare i mulini per la macina dei cereali. Anche nel medioevo tale uso era molto diffuso, ma l'Olanda è ancora oggi nota per i suoi mulini a vento per il pompaggio dell'acqua per prosciugare le terre dall'acqua del mare. Altri usi diffusi sono il pompaggio dell'acqua dai pozzi, come le girande multipala, tipiche dei villaggi western americani o per lo svuotamento dell'acqua delle saline.

Oggi, l'uso principale è la produzione di energia elettrica soprattutto negli Stati Uniti, Danimarca e Germania.

Un problema comune che avevano gli antichi utilizzatori di questa fonte di energia e noi che intendiamo riutilizzarla è quello di riuscire a controllare questa forza che varia in maniera imprevedibile, riuscendo in pochi istanti a generare energie notevoli che possono recare ingenti danni ai meccanismi che la utilizzano ed a eventuali presenze nelle vicinanze.

Nelle barche a vela, quando la forza del vento incomincia a superare un certo limite, si ammainano le vele, ossia si toglie il mezzo di collegamento tra la fonte (vento) e l'utilizzatore, in questo caso (la barca). Nei mulini a vento vi erano diversi sistemi per regolare la forza del vento, come diminuire od aumentare i teli sulle pale a graticcio, facendo si, che una parte del vento passasse oltre, oppure tramite sistema di frenatura ad attrito o ponendo il rotore non perpendicolare al vento.

Oggi, i sistemi più utilizzati sono il pitch, lo stall e lo yaw control, che con l'ausilio di componenti elettronici per il controllo, garantiscono il corretto funzionamento.

CARATTERISTICHE FISICHE

L'aria è un miscuglio incolore di vari gas di cui i principali sono l'azoto (N2) 78% e l'ossigeno (O2) 21% circa; essa possiede un peso, essendo costituita da masse atomiche, soggette alla forza di gravità terrestre e la sua densità al livello del mare è di circa kg 1.293 per mc. che diminuisce con l'altezza per rarefazione. Inoltre, la temperatura è un altra variabile sulla densità dell'aria, poichè, lo stato di maggiore o minore agitazione termica degli atomi, ne fa variare il valore. Il rapporto della densità dell'aria non è elevato rispetto ad esempio all'acqua, infatti, il peso di un metro cubo è solo un po superiore ad un decimetro cubo di acqua, il che vuol dire, che l'acqua ha una concentrazione di energia 1.293:1000 = 1: X che è di circa 773 volte maggiore.

Dato che l'energia è data dalla massa per la velocità, raccogliere la forza del vento necessita di grandi strutture e pale di grandi dimensioni per venti di bassa intensità; alla "leggerezza" del vento, si può aggiungere anche, la facilità di aumentare rapidamente la sua velocità, con un aumento dell'energia di tipo esponenziale vedi tav.1, in cui si vede l'aumento dell'energia contenuta nella massa d'aria su un metro quadro di superficie, all'aumentare della sua velocità. Tuttavia tale energia non può essere tutta raccolta dalle pale dell'aerogeneratore, poichè, si tratta di un fluido gassoso e non di materia allo stato solido cui è applicabile la legge fisica della risultante vettoriale della forza applicata. La potenza massima estraibile, secondo la teoria del momento assiale, detta (potenza di Betz) è dello Pb= 0.593 dell'energia contenuta nella massa del vento in movimento. In questo caso, una certa quantità di flusso deve passare oltre le pale dell'aerogeneratore per non interrompere la corrente del flusso, il che, provocherebbe vortici è una notevole perdita di energia, mentre una parte devia attorno all'area interessata dalla rotazione delle pale.

I sistemi che sfruttano la sola resistenza utilizzano come pale diverse superfici curve, per cui, il vento esercita su di esse una pressione di urto elastico, (che dipende dal tipo di profilo e superficie), che pone il rotore in azione, trascurando ciò che succede al flusso alle spalle del rotore, il quale cosi' si trova scomposto dalla rapida mutazione del suo percorso, provocata dalle pale e dalla perdita di velocità in rapporto al fluido circostante, creando una situazione di turbolenza.

Diversamente, i sistemi con profilo alare, tendono a non sconvolgere il flusso alle spalle del rotore, poichè utilizzano soprattutto la portanza come forza per la rotazione. Tale fenomeno si avvale della stabilità dovuta all'irrotazionalità della corrente del flusso gassoso, che, incontrando un profilo alare, viene ingannato dalla asimmetria del profilo e dall'angolo di incidenza a compiere per un certo istante un determinato percorso leggermente diverso dall'originale, senza scomporsi nelle sue linee di flusso, ma variando la velocità di scorrimento tra le due superfici superiore ed inferiore della pala. Come sappiamo dall'equazione di Bernouilli, la pressione di un fluido è legata alla sua velocità (p+1/2dv2+dgy=k), siccome sul dorso abbiamo una velocità maggiore, avremo una minore pressione e quindi la portanza, attivando cosi'il principio di azione e reazione, terza legge di Newton. Questo vale per il tipo di profilo, la velocità dell'aria, l'angolo di attacco, ecc, poichè, una variazione di questi parametri, può portare allo sconvolgimento in vortici della corrente ordinata del flusso, facendo saltare la forza data dalla depressione. Questo fenomeno è volutamente studiato nei sistemi stall control, per cui, il profilo è tale che, al superamento di una certa velocità del flusso, si ha il distacco della vena fluida e la perdita della portanza, con conseguente diminuzione della velocità di rotazione delle pale.

Per meglio chiarire il concetto della forza della portanza, che si genera su un profilo alare o una superfice curva, e che è la maggiore forza che viene utilizzata per la produzione di energia elettrica nelle moderne turbine, si può effettuare una prova pratica simile e molto semplice con un comune rubinetto di acqua. Avvicinando un dito lateralmente al getto, si nota che esso viene deviato nello stesso lato da cui si avvicina il dito. Questo avviene poichè il flusso dell'acqua, segue il profilo arrotondato del dito e si curva, deviando dalla perpendicolare esercitata dalla forza di gravità e dunque esercitando una forza che tende a spostare in avanti il dito. Per visualizzare tale forza, si può prendere un tappo di plastica di bottiglia di un tre centimetri di diametro e tenendolo in verticale, come una ruota, poggiato sulle dita, avvicinandolo al getto dell'acqua questo scappa via attratto dalla forza che nel primo caso faceva deviare a destra l'acqua, ora espelle a sinistra il tappo (principio di azione - reazione). Se invece si avvicina un oggetto squadrato, il getto viene deviato al lato opposto di dove lo si avvicina, poichè, la forma retta, con angoli a spigolo vivo, non riesce a trattenere il flusso che su di esso vi scorre, ma lo spinge, dopo aver urtato su di esso, ricevendo l'energia d'urto del flusso e disperdendolo a ventaglio.

Per trarre il massimo dell'energia del vento, occorre mantenere il più possibile ordinato il flusso della corrente dell'aria nel passaggio tra le pale dell'aerogeneratore, per meglio utilizzarne la portanza. Per fare ciò, occorre trovare il giusto equilibrio tra il numero delle pale, il loro profilo e dimensioni, la velocità di rotazione, l'angolo di attacco, ecc. al fine di trarre una percentuale di energia dal flusso in misura tale da far proseguire il suo cammino il più possibile coerente al flusso circostante. In questo modo, si riesce anche ad avere una maggiore continuità di utilizzo dell'energia, anche al continuo variare della velocità del vento.

Se si osservano le pale di un aerogeneratore, si nota come esse siano quasi di piatto con l'infradosso, circa 77° (90° perpendicolari) rispetto alla direzione di provenienza del vento, mentre sappiamo, che l'angolo di attacco massimo di un profilo alare è intorno ai 13°, altrimenti si perde la portanza. Ciò è vero se le pale non ruotassero, infatti, è come la coppia di un motore, che inizia ad un determinato numero di giri, poichè, il piano in cui ruotano le pale è anch'esso composto da aria che incontra le pale mentre ruotano, con velocità tanto più elevate, quanto più sono lontane dall'asse di rotazione e che superano di molto la stessa velocità del vento. Se ne deduce, che la risultante tra la velocità del vento, e la velocità dell'aria che incontrano le pale, nel piano di rotazione, costituisce il riferimento per il giusto angolo di attacco. Per questo motivo la maggioranza delle pale è del tipo a passo variabile, al fine di dare il giusto angolo di attacco, al variare della distanza dall'asse di rotazione e della relativa variazione della velocità periferica. Ciò costituisce un problema per l'avvio dei generatori, poichè, partendo dalla velocità di rotazione zero, la risultante, è la stessa direzione di provenienza del vento, che è quasi perpendicolare all'infradosso delle pale.

Questo non costituisce un problema nei sistemi pitch control, infatti, tale sistema, consta di un mozzo che permette, tramite parti meccaniche o elettro - meccaniche, la variazione dell'angolo di incidenza delle pale, da 0° (pala a bandiera) fino al massimo angolo, che varia in funzione della velocità del vento e del carico. Questo consente anche il controllo ed il blocco del generatore rapidamente, portando a 0° l'angolo di incidenza delle pale (blocco aerodinamico) arrestando cosi' il generatore e togliendo il sistema da gran parte delle forze agenti su di esso. A differenza, i sistemi stall controll, dispongono di grossi freni oleo - dinamici per l'arresto del sistema che vengono attivamente impegnati durante il funzionamento, generando calore per attrito e rimanendo sempre esposti con la superficie all'azione dinamica del vento. Tuttavia, entrmbi i sistemi possono avvalersi se disponibile dello yaw control, cioè la rotazione della navicella del generatore rispetto alla direzione di provenienza del vento, che pone il rotore trasversalmente alla corrente, diminuendo cosi' la superficie esposta all'azione dinamica di spinta.

TIPI DI GENERATORI E COMPONENTI

Per la tipologia dei sistemi gli aerogeneratori più diffusi sono gli HAWT (turbine ad asse orizzontale) che possono essere upwind e downwind, cioè con il rotore posto davanti la navicella di fronte al vento o nella parte posteriore, ed in questo caso serve anche ad orientare il generatore al vento. Poi ci sono gli VAWT (turbine ad asse verticale), come il rotore Darrieus, costituito da un tubo centrale e due strisce laminari laterali rotanti.

I più diffusi aerogeneratori sono quelli ad asse orizzontale. Tale configurazione è costituita da un asse orizzontale rotante su cuscinetti collegato ad un telaio posto sopra un traliccio metallico, tale asse, semplificando, ha sulla parte anteriore un mozzo con le pale che ne permette la rotazione sotto l'azione del vento e dall'altra pone in rotazione un alternatore direttamente (se multipolare) o tramite un moltiplicatore per raggiungere i giri sufficienti per la generazione dell' elettricità. Inoltre, il sistema possiede alcuni elementi meccanici o elettromeccanici per il controllo del corretto funzionamento ed evitare situazioni di pericolo e adeguarsi al continuo mutare della velocità del flusso, in tutte le sue variabili, senza riportare danni e potere sfruttare al meglio tale energia. Per questa ragione, occorre utilizzare dei materiali e dei sistemi affidabili a più livelli di sicurezza, spaziando dalla sicurezza attiva a quella passiva, analizzando i singoli componenti ed il loro grado di pericolosità una volta attivi dal punto di vista dinamico, sia nel normale intorno di funzionamento, che in perdita totale di controllo, valutando anche la normale usura e la fatica.

Altri elementi caratterizzanti un aerogeneratore sono: il numero delle pale che generalmente varia da uno a tre; il tipo di moltiplicatore di giri ed il rapporto di moltiplica o senza negli alternatori a numerosissimi poli (direct - drive), tale che la velocità di rotazione dell'asse è sufficiente a generare energia; il sistema di controllo, che può essere meccanico-centrifugo oppure elettromeccanico od elettronico o aerodinamico; i sensori per il controllo del vento e dei vari organi del sistema, ecc.

Le pale di un aerogeneratore costituiscono la parte fondamentale di tutto il sistema, poichè sono il mezzo di collegamento tra la fonte vento e il sistema meccanico di conversione. Dal loro profilo aerodinamico dipende il rendimento del generatore e sono anche la parte più delicata dal punto di vista della sicurezza di tutto il sistema, essendo parti solide (legno, resine sintetiche, ecc.) di una certa massa, poste ad elevate velocità di rotazione e peraltro soggette a variazioni continue di moto e vibrazioni. Su questo elemento occorre fare molta attenzione e di valutarne bene le caratteristiche.

I materiali con cui è ralizzato il generatore debbono essere resistenti agli agenti atmosferici soprattutto alla corrosione: guscio esterno inox o acciaio zincato, bulloneria inox, traliccio in acciaio zincato. Molta attenzione va posta ai collegamenti elettrici nelle connessioni per evitare ossidazioni, ed è preferibile una struttura del generatore affusolata che non lasci incavi e fori per evitare l'annidarsi di insetti.

INSTALLAZIONE

L'installazione di un sistema eolico deve tenere conto di diversi fattori di cui il principale è la ventosità del sito, che richiede una raccolta di dati anemometrici a lungo periodo, anche più di un anno, per avere una certa garanzia. Per piccoli generatori basta una conoscenza empirica della situazione del vento nel luogo, badando alla conformazione del territorio e alla presenza di ostacoli vicini come case, alberi, ecc. Importante è l'altezza dal suolo del generatore, risente meno della turbolenza provocata dalle asperità del terreno e il vento è più laminare ed ha maggiore velocità.

Nei sistemi sempre di piccole dimensioni di cui trattiamo, lo scopo è la generazione di energia elettrica a bassa tensione 12-24 Volt. in corrente continua per utilizzi domestici (illuminazione, apparati per le comunicazioni, piccoli elettrodomestici, ecc.). Questa energia deve essere accumulata in batterie, da cui poterla prelevare al momento dell' utilizzo. E' importante che le batterie siano adatte allo scopo, cioè siano state progettate per centinaia di cicli di carica e scarica interi e non come quelle degli autoveicoli, che si rovinano con un tipo di funzionamento del genere. Sempre sulle batterie c'è da ricordare il giusto dimensionamento dei cavi di collegamento, in rapporto anche con la distanza e la quantità di energia da inviare agli apparecchi di utilizzazione, per evitare surriscaldamenti e perdita di energia (legge di Ohm sulla resistenza elettrica). Se il generatore è distante o si utilizzano apparecchiature a 220 Volt a.c., conviene usare un trasformatore inverter (ad onda sinusoidale per poter far accendere le lampade a basso consumo energetico), installato nello stesso posto dove si trovano le batterie, in questo modo, la perdita lungo la linea è minima. Occorre anche un sistema che blocchi l'erogazione dell'energia se le batterie si trovano scariche o se il carico è eccessivo, badando anche che la ricarica degli acccumulatori venga regolata da un sistema automatico che a carica avvenuta limiti la quantità di energia in entrata.

Quello delle batterie è una parte delicata di un impianto ad energia eolica, la variazione di intensità e di tempo nella ricarica degli accumulatori costituisce problema, come anche il non sapere cosa potere accendere o meno senza il pericolo di rimanere al buio. Penso sia necessario, in tali sistemi, organizzare in gruppi le apparecchiature utilizzatrici per categorie di priorità con spie luminose di avviso secondo lo stato di carica, in modo tale da potersi regolare di conseguenza. La ricarica di un banco di batterie con un generatore eolico, se l'intensità del vento è poca risulta inefficace, per questo, si studiano anche sistemi attivi di connessioni tra le batterie, in modo da ridurne il numero di quelle collegate quando il vento è minimo, ed aumentarlo quando è più forte tramite regolatori di carica individuali per ciascuna batteria.

Altri fattori da valutare sono la rumorosità del sistema, secondo anche la distanza dalle abitazioni, la sicurezza del sistema, la possibilità di fermarlo, la facilità di manutensione e la curva reale della potenza erogata alle varie velocità del vento.

By A. Sanfilippo
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