di  -  lunedì 30 novembre 2009

Come di consueto ogni lunedì mattina, è il momento della rubrica Energia e Futuro, e l’argomento che stiamo trattando è l’Energia Eolica.

Dopo avere introdotto da un punto di vista storico questa fonte energetica, ed avere successivamente esposto i tratti generali che la caratterizzano, andiamo ora ad affrontarne in maniera più completa alcuni aspetti tecnici.

VELOCITA’ DEL VENTO E DENSITA’ DI POTENZA

La velocità del vento rappresenta un parametro la cui valutazione risulta estremamente importante al fine di una corretta valutazione della densità di potenza disponibile, infatti la potenza disponibile per una turbina può venire valutata prendendo in considerazione un “tubo di flusso” che racchiude l’intero rotore.

La potenza, indicando con u la velocità del ventoρ la densità del fluido ed A la superficie del tubo di flusso che racchiude il rotore, sarà quindi data da Pdisp = 1/2ρAu3.

Dall’esame della precedente equazione si può immediatamente comprendere come una errata valutazione dell’intensità della velocità del vento porti ad errori non trascurabili, essendo questa alla terza potenza nell’equazione precedente.

Oltre a questa prima valutazione, per comprendere quanta energia è a disposizione in un dato sito, è importante conoscere la distribuzione di frequenza relativa del vento, ovvero conoscere quale risulta essere il numero di ore in un anno per le quali si ha un certo valore di velocità del vento:

freq_rel_vento.png

Come si può vedere nel precedente diagramma si ha la rappresentazione per un dato sito del numero di ore all’anno per le quali si ha una certa velocità del vento, ordinate secondo le intensità di quest’ultimo, e si nota come la velocità del vento non presenti un valore costante ma vari (in maniera più o meno sensibile) rendendo quindi fondamentale un corretto dimensionamento dell’impianto in termini di scelta delle turbine.

Un parametro strettamente correlato con la  frequenza relativa è rappresentato dalla frequenza cumulata, ovvero una distribuzione di frequenza ottenuta da quella relativa, sommando per ogni classe i valori della classe precedente:

freq_cum_vento.png

Tale diagramma si ottiene appunto sommando ad ogni classe di velocità del vento i valori della classe precedente, pertanto la classe 1 corrisponde in entrambi i diagrammi, la classe 2 è data dalla somma delle frequenze relative della classe 2 e della classe 1 e così via.

Da questo diagramma si ricava immediatamente il numero di ore all’anno per le quali il vento presenta una velocità inferiore (od al più uguale) alla classe considerata.

Una equazione empirica che rappresenta la frequenza cumulata (e di conseguenza la frequenza relativa visto lo stretto legame tra le due) è rappresentata dalla funzione di Weibull.

INFLUENZA DELLA VELOCITA’, DENSITA’ E TEMPERATURA

Una volta individuata la densità di potenza è possibile valutare quanto questa risulti influenzata da fattori come la temperatura e le variazioni di densità dell’aria, dovute ad esempio alla quota.

Consideriamo un sito per il quale la pressione atmosferica sia unitaria e la velocità del vento pari a 6m/s, ed in corrispondenza di questa velocità si ottiene una densità unitaria (riferita al m2 di superficie spazzata dal rotore) pari a 132.3 W/m2.

Incrementando la velocità da 6 a 8m/s e ripetendo, i calcoli si ottiene una potenza unitaria pari a 313.6W/m2, ovvero un incremento pari al 137%.

Una variazione della pressione atmosferica relativa porta anch’essa a delle variazioni sensibili di densità di potenza, ad esempio in corrispondenza di una pressione pari a 0.8atm (80% della pressione atmosferica) si ottiene una riduzione della densità del fluido del 20% e di conseguenza una riduzione della potenza unitaria del 20%.

La temperatura influenza anch’essa la densità di potenza, in particolare passando  da una temperatura di 15°C (Celsius) a 35°C si ha un decremento della densità del 6.5% e di conseguenza un decremento della potenza del 6.5%, mentre una riduzione della temperatura da 15°C a 0°C porta ad un incremento di densità del fluido e di potenza del 5.5%.

Con questi dati in mente ci apprestiamo nel prossimo post ad entrare maggiormente nel dettaglio della conversione dell’energia del vento in energia meccanica ed elettrica, esaminando gli ultimi parametri generali di questo processo (limite di Betz, spinta e portanza sulle pale) per poi introdurre nei successivi le turbine eoliche vere e proprie.

Vi aspetto come sempre lunedì prossimo con la nostra rubrica Energia e Futuro.

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