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L'Energia Eolica
Anemometro a 101 metri sulla cima del campanile





L'energia eolica è il prodotto della conversione dell'energia cinetica del vento in altre forme di energia (elettrica o meccanica). Oggi viene per lo più convertita in energia elettrica tramite una centrale eolica, mentre in passato l'energia del vento veniva utilizzata immediatamente sul posto come energia motrice per applicazioni industriali e pre-industriali (come, ad esempio, nei mulini a vento). Prima tra tutte le energie rinnovabili per il rapporto costo/produzione, è stata la prima forma di energia rinnovabile scoperta dall'uomo dopo il fuoco. Continua...


Incremento della velocità del vento e della potenza con l'altezza

A causa degli sbarramenti che il flusso del vento incotra nella sua traiettoria quando soffia vicino al suolo, all'incremento dell'altezza, corrisponde, normalmente, un incremento della sua velocità. La velocità del vento può aumentare vertiginosamente con l'altezza, se il terreno della zone del sito è rugoso. Questo effetto è così importante che i dati rilevati circa la velocità, spesso includono l'altezza alla quale il vento è stato misurato. Se l'altezza non è espressamente specificata, si assume come altezza standard di circa 10 metri dal livello del suolo. La maggior parte delle turbine eoliche vengono installate su torri moto più alte di 10 metri, proprio per sfruttare il vantaggio offerto dai venti più forti e meno turbolenti che spirano oltre una certa altezza.
Il modo più semplice per calcolare l'incremento della velocità del vento in funzione dell'altezza è quello di usare il metodo della "legge esponenziale". Un altro approccio è quello di utilizzare l'estrapolazione logaritimca, metodo molto diffuso in Europa. L'equazione esponenziale può essere forse meno scientifica, ma funziona bene ed è più cauta rispetto al metodo logaritmico.

Legge Esponenziale:

Relazione di tipo sperimentale.


V = velocità del vento [m/s],

H = altezza a cui si vuole calcolare la velocità del vento,

H_0 = altezza di riferimento, in cui è nota la velocità,

α = esponente del profilo di velocità (è direttamente proporzionale alla rugosità del suolo).



Legge logaritmica:

Relazione teorico-sperimentale

V = velocità del vento [m/s],

H = altezza a cui si vuole calcolare la velocità del vento,

h = lunghezza di rugosità (dipende dal tipo di terreno),

v*= velocità di attrito,

k = costante di Von Karman (=0,4).



La lunghezza di rugosità (h) è il parametro che caratterizza la superficie su cui spira il vento, maggiore è il suo valore maggiori saranno le asperità del terreno ed i disturbi creati dal suolo al flusso ventoso.

Fisicamente h può essere immaginata come la dimensione del vortice turbolento che viene creato dal'interazione del vento con il suolo.

Il valore di h è stato standardizzato in base alle tipologie di terreno (categorie di riferimento) che, più frequentemente, si possono presentare nella realtà.

Su un terreno liscio, l'esponente di rugosità può scendere fino allo 0,1, mentre invece, su terreno rugoso, può raggiungere addirittura lo 0,3. Di seguito riportiamo alcuni tipici esponenti di rugosità:


Tipo di superficieRugosità h (m)Esponente α
Acqua o ghiaccio0,010,1
Prato o steppa0,050,14
Terreno rugoso con ostacoli, boschi0,30,2
Area urbana10,3



Come esempio consideriamo l'incremento della velocità del vento quando si raddoppia l'altezza della torre da 10 a 20, oppure da 30 a 60 nelle fattorie delle grandi pianure americane con un coefficiente di rugosità di 0,14. (L'unità di misura non è essenziale in questo caso; lo è solo il tasso di incremento.)




Su un terreno dove la funzione esponenziale di 0,14 è applicabile, se si raddoppia l'altezza della torre la velocità del vento subisce un incremento del 10%. Incrementando l'altezza della torre di cinque volte, diciamo da 10 a 50 oppure da 30 a 150, la velocità del vento potrebbe subire un incremento del 25% circa.



Ma la pontenza può aumentare anche molto di più a causa della relazione cubica che la lega alla velocità del vento. Raddoppiando l'altezza della torre, l'incremento della potenza disponibile è pari al 23%.



Aumentando di cinque volte l'altezza della torre, si ottiene un incremento equivalente a circa il doppio della potenza disponibile



Questo è il motivo per cui le tubine vengono normalmente installate su alte torri.

 

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