LA RISORSA EOLICA

LA RISORSA
EOLICA
LA RISORSA EOLICA
VANTAGGI
• ENERGIA RINNOVABILE: utilizzo nel lungo tempo
inesauribile e gratuito
• ENERGIA “PULITA”: riduzione emissioni di anidride
carbonica responsabile dell’effetto serra
• CONVERSIONE DIRETTA in energia meccanica
• COSTO LIMITATO in rapporto agli altri tipi di energia
rinnovabile
LA RISORSA EOLICA
SVANTAGGI
•
IRREGOLARITA’: la fornitura dell’energia che è
possibile sfruttare non è costante nel tempo
•
LIMITATA DENSITA’ ENERGETICA: il suo
sfruttamento necessita impianti ingombranti
(Aerogeneratori)
•
RISORSA LOCALIZZATA: la sua potenza non è
sfruttabile in ogni dove ma in ben determinati siti
IL VENTO E L’ENERGIA
EOLICAEOLICA
LA RISORSA
ENERGIA
SOLARE
ENERGIA
EOLICA
L’energia del vento è legata direttamente
all’energia solare. Infatti essa è in pratica
dovuto al riscaldamento non uniforme
della superficie terrestre da parte del sole.
Quanto vale l’energia che il sole invia sulle terra?
Cs = 1365 W/m2
L’ energia che il sole invia sulla terra è
stimabile tramite la costante solare che
esprime la potenza per unità di superficie
incidente su una superficie disposta fuori
dall’atmosfera e normale ai raggi solari
LA RISORSA EOLICA
La potenza intercettata dalla superficie terrestre è quella incidente su
una superficie circolare di raggio pari a quello terrestre (6370 Km)
Psole = π ⋅ R ⋅ Cs = 1,74 ⋅10 W
2
T
17
L’energia annua varrà:
Esole ,annua = Psole ⋅ 24 ⋅ 365 ⋅ 3600 = 5,5 ⋅10 24 J / anno
Tale valore di energia è addirittura 13.000 volte superiore all’attuale
consumo globale di energia
LA RISORSA EOLICA
Tuttavia la costante Cs non esprime realmente la potenza solare
incidente sulla terra.
Infatti in considerazione della rotazione della Terra intorno al
proprio asse e del rapporto fra la superficie terrestre e la
superficie del disco che effettivamente intercetta l’energia solare
(tale rapporto fra le superfici è pari a 4), la potenza solare media
per unità di superficie terrestre è pari al 25% della costante
solare, ovvero circa 342 W/m2.
PREALE INCIDENTE = 342 W/m2
LA RISORSA EOLICA
- Bilancio energetico semplificato della Terra -
LA RISORSA EOLICA
La potenza solare che giunge al suolo è
stimata pari circa 50000 TW, quindi
circa 3800 volte consumi mondiali di
energia.
Dell’energia inviata dal Sole sulla
Terra, una frazione pari circa lo 0,2%
viene convertita in energia meccanica
del vento e delle correnti marine.
In sintesi, pertanto, l’energia solare convertita in energia cinetica dell’aria
(vento) e dell’acqua (correnti marine) può essere stimata pari a circa 350400 TW (corrispondenti a circa 260-300 miliardi di tep/anno).
Come si origina il Vento?
LA RISORSA EOLICA
FORMAZIONE DEL VENTO
L’irraggiamento intenso di un’area della terra
provoca un forte riscaldamento della massa d’aria
sovrastante il terreno. Quest’ultima si dilata,
diventa più leggera e tende a salire verso l’alto
creando una forte depressione (zona di bassa
pressione).
Questa depressione viene colmata da aria più fredda
proveniente da zone limitrofe (zone di alta pressione).
Lo spostamento di queste masse d’aria sono all’origine del vento.
L’intensità del vento, ovvero la sua velocità, è proporzionale al gradiente
di pressione esistente tra le due zone; E tanto più alta è la differenza di
pressione, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria, tanto più forte sarà
il vento.
LA RISORSA EOLICA
L’intensità dei venti è misurata con la classificazione proposta
dall’ammiraglio inglese Beaufort nel 1805
Dove avviene la circolazione dei venti?
LA RISORSA EOLICA
La circolazione dei venti avviene esclusivamente nelle Troposfera, vale
a dire lo strato dell’atmosfera fino a 9-17 Km di altezza.
VENTI
Scala
globale:
VENTI
GEOSTROFICI a
circa 10 km di
altezza.
•Influenza
del
gradiente
di
Pressione e della
Forza di Coriolis
Scala locale: VENTI
LOCALI .
•Influenza
delle
caratteristiche
orografiche
locali
(presenza di rilievi
montani, collinari o
superfici marine)
VENTI DI
SUPERFICIE al di
sotto dello Strato
Limite Atmosferico
(ABL).
Influenza dell’attrito
con la superficie
terrestre ( Rugosità
del terreno)
I VENTI SU SCALA PLANETARIA
LA RISORSA EOLICA
Al di sopra dell’ABL , il sistema dei venti è tutto sommato
prevedibile poiché è a grandi linee guidato da 2 fattori:
• Il riscaldamento della superficie terrestre causato dalla radiazione
solare che crea un certo Gradiente di Pressione.
• la forza di Coriolis
Effetto della FORZA DI
CORIOLIS
LA RISORSA EOLICA
LA FORZA DI CORIOLIS
La Forza di Coriolis è una forza dovuta
alla rotazione terrestre.
Essa agisce perpendicolarmente alla
direzione del moto verso destra
nell’Emisfero
Nord,
verso
sinistra
nell’Emisfero Sud.
Inoltre è molto più forte ai poli dove è
maggiore l’accelerazione
Essa influenza ad esempio le traiettorie
degli aerei e delle correnti marine, ed anche
la circolazione dei venti.
LA RISORSA EOLICA
In sostanza la forza fa sì che il movimento delle masse d’aria da zone
di alta a zone di bassa pressione non avvenga solo dall’equatore ai
Poli ma subisca una deviazione.
Tale deviazione è:
• da Ovest verso Est nell’Emisfero Nord
• da Est verso Ovest nell’Emisfero Sud
Inoltre regola il senso di circolazione
attorno ai centri di pressione.
Nell'emisfero Nord, il vento spira in
senso orario attorno alle zone di alta
pressione (circolazione anticiclonica:
dall'alta alla bassa pressione deviando
verso destra), in senso antiorario
attorno alle zone di bassa pressione
(circolazione ciclonica: verso la bassa
pressione deviando verso destra).
LA RISORSA EOLICA
Circolazione dei venti a
Livello Planetario con le celle
di circolazione e le direzioni
prevalenti dei venti
RISORSA EOLICA
I venti su scalaLA
locale
I venti LOCALI giocano un ruolo molto importante
nella determinazione dei venti dominanti in un
sito.
Essi sono influenzati dalle caratteristiche
orografiche di una zona, in particolare dalla
presenza di mari e di catene montuose.
In particolare troviamo:
• Brezze Costiere
• Brezze Montane
BREZZE LA
DI MARE
E DI TERRA
RISORSA
EOLICA
Brezza di
Mare
Grazie alla sua maggiore inerzia termica, il mare si scalda più
lentamente della terra di giorno e si crea una forte differenza di
temperatura tra le masse d’aria. L’aria sovrastante la terra calda e
più leggera sale lasciando posto a quella fredda che staziona sopra
il mare. Si crea così un movimento convettivo dal mare verso la
terra, la cosìdetta Brezza di Mare.
LA RISORSA EOLICA
Di notte succede praticamente il contrario d il
processo si inverte; il mare si raffredda più lentamente
della terra e si crea un movimento convettivo dalla
terra verso il mare, chiamata appunto Brezza di terra.
Brezza di Terra
RISORSA
EOLICA
BREZZE DILA
MONTE
E DI VALLE
In montagna la differenza di riscaldamento giornaliero
tra fondovalle, pendii e pianure adiacenti crea un doppio
sistema di circolazione.
Di giorno, il
riscaldamento
maggiore delle
pianure crea una
brezza dalla pianura
verso le montagne
Brezze di valle
LA RISORSA EOLICA
Di notte le montagne si raffreddano più
lentamente delle vallate; l’aria fredda
tende a scivolare verso valle
La brezza che si viene
a creare spira dunque
da monte verso valle.
Brezze di monte
LA RISORSA EOLICA
Analogo effetto si ha tra i fondovalli ed i pendii. Di giorno a causa del
riscaldamento dei fianchi disposti a Sud (A nord nell’emisfero
australe) si creano correnti d’aria verso le creste (Venti Anabatici). Di
notte la brezza inverte la sua direzione (Venti Catabatici)
Brezze di Pendio
Le Brezze di Pendio hanno
generalmente intensità
inferiori a quelle di monte e
di valle
LA RISORSA EOLICA
I VENTI DI SUPERFICIE
•
Al di sotto dello Strato limite, il vento comincia ad
avvertire la presenza della superficie terrestre e subisce
una diminuzione d’intensità.
•
Nella zona si verifica un gradiente di velocità: il vento
si annulla in superficie e riprende la sua velocità media
indisturbata ad un’altezza funzione del tipo di superficie.
•
Lo strato atmosferico considerato (fino a 100 m dal
suolo) è la zona d’interesse per la produzione di energia
eolica.
LA RISORSA EOLICA
ABL Strato Limite
Ambientale
u =u
La velocità può essere descritta da una
legge di tipo logaritmico.
Essa rappresenta bene il profilo del vento
in prossimità del terreno, nei primi 100
metri dello ABL

 z
u
u( z) =
⋅ ln
k
 z0

*
Legge Logaritmica





•
u* è la Shear Velocity
(Velocità
d’attrito)
dovuta
alle
forze
viscose
•
k è la Costante di Von
Karman = 0,4
•
z0 è l’altezza di
rugosità, rappresentata
come la dimensione
media
dei
vortici
causati
dalle
irregolarità del terreno;
in pratica è la quota in
cui si registra velocità
nulla ed inizia il
profilo di velocità
z0 [m]
α
I. Mare aperto, laghi con almeno 5 km di estensione
sopravvento e campagna senza ostacoli.
0.01
0.12
II. Terreno agricolo con recinzioni, piccole fattorie,
case o alberi.
0.05
0.16
0.3
0.22
1
0.30
Categorie di terreno
III. Aree suburbane o industriali o foreste
permanenti.
IV. Area urbana in cui almeno il 15% della superficie
sia coperta da edifici la cui altezza media
superi i 15 m.
LA RISORSA
EOLICA
Legge
di Potenza (Power Law)
Conoscendo una velocità di
riferimento u1ad un’altezza z1, è
possibile calcolarsi il profilo con
la legge di potenza
 z
u = u1 ⋅  
 z1 
α
• a è un parametro che dipende dalla classe di rugosità del suolo
La legge di potenza è la
relazione teoricosperimentale più utilizzata
per la sua semplicità.
Tuttavia essa va presa con
le pinze per la sua
inesattezza negli strati bassi.
Valore di a al variare della rugosità del suolo
LA RISORSA EOLICA
SCELTA DEL SITO: INFLUENZA DELL’OROGRAFIA
La collocazione degli aerogeneratori deve essere fatta tenendo
conto dell’influenza dell’orografia locale del sito prescelto
SPEED-UP EFFECT
Sulla
sommità
delle colline
la velocità
risulta
maggiore che
nelle vallate
LA RISORSA EOLICA
SCELTA DEL SITO: INFLUENZA DELL’OROGRAFIA
Tunnel Effect
Un altro effetto
vantaggioso
dell’orografia si ha nel
posizionamento delle
macchine tra due
pendii. Anche in questo
caso si verifica un
notevole aumento
d’intensità del vento
(Speed-up effect)
LA RISORSA EOLICA
Nella scelta del sito occorre dunque considerare diversi fattori venuti
fuori nel nostro studio:
• Direzione dei venti dominanti
• Caratteristiche dell’orografia locale
• Rugosità del terreno nel sito scelto