IL SISTEMA EOLICO
Al fine di comprendere il funzionamento di un sistema eolico può essere interessante fare delle considerazioni elementari.
La potenza che può essere estratta da un generatore eolico dipende dall’area spazzata. Questo vuol dire che quanto maggiore è la lunghezza delle pale tanta più energia si estrae dalla turbina. Inoltre tale potenza dipende dal cubo della velocità del vento, pertanto è indispensabile un’accurata conoscenza delle condizioni anemologiche del sito ove s’intendono installare gli aerogeneratori.
Il costo di un aerogeneratore dipende dalle dimensioni del rotore e in particolare dall’area spazzata; sul mercato esistono turbine di piccola taglia (rotore di D<20m e P<100kW) e turbine di media taglia (rotore di 20<D<50 m e 100<P<800 kW ).
Il costo di un impianto è rappresentato da un insieme di voci che concorrono a formare il costo totale:
  • Costi di progettazione, direzione lavori e disbrigo pratiche di autorizzazione;
  • costi d’installazione
  • costi di sistemazione dell’area;
  • costi delle opere civili (scavo e realizzazione delle fondazioni);
  • costi di trasporto;
  • costo d’installazione della macchina (posa della torre, elevazione della navicella e posizionamento del rotore);
  • costo manodopera;
  • costo di avviamento
  • costi d’esercizio; costi di manutenzione; altri costi (collaudo etc.)
Va detto che il costo d’installazione di un impianto eolico dipende dal valore della velocità del vento, in genere il valore minimo di riferimento è dell’ordine di 5.5 m/s, all’aumentare del valore di velocità media annua, varia notevolmente il bilancio economico degli impianti e il costo unitario di generazione.
I costi di manutenzione e di esercizio si aggirano tra il 1% e il 2% del capitale iniziale.

L'AEROGENERATORE
Struttura generale di un aerogeneratore
Si descrive nel seguito la configurazione più generale, indicando anche la terminologia inglese, di una macchina reale ad asse orizzontale, utilizzata per convertire l’energia del vento in energia elettrica (si veda anche fig. allegata).
Le pale (blades) della macchina sono fissate su un mozzo (hub), e nell’insieme costituiscono il rotore (rotor); il mozzo, a sua volta, è collegato ad un primo albero (main shaft), detto albero lento, che ruota alla stessa velocità angolare del rotore. L’albero lento è collegato ad un moltiplicatore di giri (gear box), da cui si diparte un albero veloce (drive shaft), che ruota con velocità angolare data da quella dell’albero lento per il rapporto di moltiplicazione del moltiplicatore. Sull’albero veloce è posizionato un freno (brake), a valle del quale si trova il generatore elettrico (generator), da cui si dipartono i cavi elettrici di potenza.
Nella maggior parte delle macchine odierne, tutti i componenti su menzionati, ad eccezione naturalmente del rotore, sono ubicati in una cabina, detta navicella (nacelle) la quale, a sua volta, è posta su di un supporto-cuscinetto, (yaw ring), in maniera da essere facilmente orientabile secondo la direzione del vento.
Oltre ai componenti su menzionati, vi è un sistema di controllo che esegue, nel caso più generale, diverse funzioni: il controllo della potenza (power regulation), che può essere eseguito ruotando le pale intorno all’asse principale(sistema di attuazione del passo, pitch regulation), in maniera da
aumentare o ridurre la superficie esposta al vento, oppure in termini costruttivi, tramite la scelta di un opportuno profilo delle pale (stall regulation); il controllo della navicella - detto controllo dell’imbardata - che serve ad inseguire la direzione del vento (yaw control), ma che può essere anche utilizzato per il controllo della potenza; l’avviamento della macchina allorché è presente un vento di velocità sufficiente (cut-in wind speed), la fermata della macchina, quando vi è un vento di velocità superiore a quella massima per la quale la macchina è stata progettata (cut-off wind speed).
L’intera navicella è posta su di una torre (tower) che può essere a traliccio o conica tubolare.
Un aerogeneratore commerciale è caratterizzato principalmente dalla curva di potenza (power curve), che esprime la potenza elettrica che la macchina rende disponibile al variare della velocità del vento.
La velocità del vento di avviamento (start-up) è la minima velocità alla quale la macchina inizia a ruotare (a questa velocità l’aerogeneratore non eroga energia).
La velocità del vento nominale (rated) è in genere la minima velocità del vento che dà la potenza corrispondente al massimo rendimento aerodinamico del rotore (rated power).
Quando la velocità del vento supera il valore corrispondente alla velocità di avviamento la potenza cresce al crescere della velocità del vento. La potenza cresce fino alla velocità nominale e poi si mantiene costante fino alla velocità di fuori servizio. Per ragioni di sicurezza a partire dalla velocità nominale la turbina si regola automaticamente. L’aerogeneratore continua a fornire la potenza nominale nell’intervallo di velocità rated cut-out servendosi dei suoi meccanismi di controllo. L’aerogeneratore si avvicinerà più o meno al valore della potenza nominale in funzione della tipologia della turbina: passo fisso, passo variabile, velocità variabile, etc.
Il rumore prodotto dagli aerogeneratori rappresenta un problema di entità contenuta atteso che già a distanze dell’ordine di 50m dall’installazione il rumore prodotto risulta sostanzialmente indistinguibile dal rumore di fondo.
Uno dei problemi tecnici maggiori per le macchine eoliche è rappresentato dalle caratteristiche di producibilità (legate alla intermittenza e casualità della fonte).
LA SCELTA DEL SITO

Le considerazioni ambientali iniziali riguardano i seguenti argomenti:
  • Prossimità alle abitazioni:
  • Le turbine non vanno collocate tanto vicino alle abitazioni a causa del probabile rumore e delle ombre delle pale in movimento.
  • Ecologia:
  • Bisognerebbe tener in considerazione se nell’area si possono trovare specie protette, sia perenni che stagionali.
  • Patrimonio storico ed archeologico:
  • L’esistenza di aree protette e siti archeologici può influenzare la scelta di un sito particolare.
  • Telecomunicazioni:
  • Le trasmissioni televisive, radar, radio o microonde, possono essere disturbate dalla presenza delle turbine eoliche. Nella maggior parte dei casi, i problemi tecnici possono essere facilmente risolti.
  • Aeroporti civili e militari:
  • Per i siti vicini agli aeroporti bisognerebbe consultare l’autorità aeroportuale competente.
Dopo aver fatto le suddette considerazioni, per stabilire la fattibilità del progetto, uno degli elementi più importanti da valutare è la risorsa eolica. Una stima approssimativa della velocità del vento del sito può essere ottenuta da banche dati; essendo però le condizioni anemologiche il principale elemento per la scelta del generatore eolico, è richiesta un’accurata definizione della velocità del vento mediante misure effettive sul sito. Tali misure vengono effettuate usando torri anemometriche ad un’altezza significativa quale quella corrispondente al mozzo di una tipica turbina.
È possibile effettuare a vista una misura (molto grossolana) della velocità del vento servendosi della scala di Beaufort, il quale ha suddiviso la forza del vento in 12 gradi in base ai suoi effetti sull’ambiente circostante.

I COSTI
Il costo di un aerogeneratore dipende dalle dimensioni del rotore e in particolare dall’area spazzata. Per turbine di piccola taglia (rotore di D<20m e P<100kW) il costo indicativo è di £ 1.500.000 per m2 di area spazzata, mentre per quelle di media taglia (rotore di 20<D<50 m e 100<P<800 kW ) tale costo è leggermente inferiore.
Il costo di un impianto è rappresentato da un insieme di voci che concorrono a formare il costo totale:
  • Costi di progettazione, direzione lavori e disbrigo pratiche di autorizzazione;
  • costi d’installazione:
  • costi di sistemazione dell’area;
  • costi delle opere civili (scavo e realizzazione delle fondazioni);
  • costi di trasporto;
  • costo d’installazione della macchina (posa della torre, elevazionedella navicella e posizionamento del rotore);
  • costo manodopera;
  • costo di avviamento
  • costi d’esercizio;
  • costi di manutenzione;
  • altri costi (collaudo etc.)
Va comunque detto che il costo d’installazione di un impianto eolico dipende dal valore della velocità del vento, in genere il valore minimo di riferimento è dell’ordine di 5.5 m/s, all’aumentare del valore di velocità media annua, varia notevolmente il bilancio economico degli impianti e il costo unitario di generazione.
I costi di manutenzione e di esercizio si aggirano tra il 2% e il 3% del capitale iniziale.