|
Prestazioni delle
turbine
Per comprendere l’importanza relativa dei differenti
fattori
che determinano la potenza di una turbina, e le curve attraverso le
quali viene rappresentata, si fa riferimento alla seguente formula
denominata di Betz:
in cui:
P è la potenza generata in kW
h è l’efficienza del generatore
r è la densità dell’aria in kg/m3
A è l’area spazzata in m2
V è la velocità del vento in m/s
La velocità del vento è il fattore che
influenza
maggiormente la potenza prodotta.
Variazioni anche minime della velocità comportano variazioni
significative della potenza, motivo per cui le turbine vengono
installate su torri elevate che consentono di catturare vento di
maggiore intensità. Ad esempio, se la velocità aumenta del 25% la
potenza raddoppia, se aumenta del 45% la potenza triplica.
L’area spazzata (swept area) è un altro fattore importante,
perché rappresenta la sezione frontale attraverso la quale il rotore
cattura il vento.
Nelle turbine HAWT, l’area spazzata ha forma circolare e dipende dal
diametro del rotore.
Nelle turbine VAWT l’area spazzata è convenzionalmente considerata
l’area rettangolare di inviluppo della sezione trasversale
del rotore ed è determinata dal prodotto diametro x altezza del
rotore.
La densità dell’aria varia con la temperatura e con
l’altitudine. La potenza dichiarata dai costruttori è riferita al
livello del mare ed a una temperatura dell’aria di 15 °C. La correzione
da apportare in funzione dell’altitudine può essere valutata
utilizzando il grafico successivo, in cui 100% corrisponde al livello
del mare.
Riduzione % della densità
L’efficienza del generatore è il parametro di
sintesi
che rappresenta la capacità della turbina di catturare la potenza del
vento. Facendo riferimento alla figura precedente, l’efficienza è la
quota della potenza che il vento possiede all’ingresso del tubo di
flusso (1/2.AV2) e che il rotore riesce a trasformare in potenza
meccanica quando il vento attraversa la turbina e rallenta dalla
velocità V alla velocità V2.
Esiste un valore massimo teorico dell’efficienza, denominato limite di
Betz, che una turbina riesce a realizzare in presenza di condizioni
assolutamente ideali da un punto di vista fluidodinamico e in assenza
di qualunque forma di dissipazione, quali vortici indotti dalle pale,
perdite meccaniche nel rotore oppure perdite elettriche nel generatore.
Il limite di Betz è pari a 0,59. Nella pratica l’efficienza reale delle
turbine è tipicamente compresa tra 0,15 e 0,35, come analizzato nella
sezione successiva.
Inoltre le perdite di tipo aerodinamico fanno sì che l’efficienza della
turbina non si mantenga costante al variare della velocità del vento e
quindi della rotazione delle pale, in quanto dalle pale stesse si
staccano treni di vortici che si propagano in forma di elica sottovento
alla turbina. Tutti questi fattori determinano la forma tipica della
curva di potenza di una turbina eolica (vedi esempio nella figura
successiva), che rappresenta la potenza che essa genera alle varie
velocità del vento (rif. norma ISO IEC 61400).
La potenza nominale è la grandezza più rappresentativa e
comunemente utilizzata per esprimere la potenza della turbina.
Essa rappresenta il valore corrispondente alla velocità nominale,
condizione prossima a quella in cui la turbina inizia ad andare in
sicurezza e a limitare l’output.
La velocità nominale è di solito compresa tra i 10 ed i 15 m/s
e costituisce un parametro importante nella scelta della turbina per
una data applicazione. Dato che la velocità del vento è variabile,
minore è la velocità nominale maggiore è la probabilità statistica che
ci siano condizioni di vento tali da portare la turbina a lavorare alla
potenza nominale.
Altri parametri della curva di potenza sono utili per selezionare la
turbina più adatta alle proprie esigenze o per progettare
l’impianto.
La potenza di picco rappresenta la massima potenza che la
turbina può generare. Il suo valore viene indicato dai costruttori per
progettare l’impianto e i cablaggi in sicurezza. Un valore elevato
della potenza di picco non costituisce necessariamente un fattore di
pregio, in quanto si verifica raramente in presenza di venti
forti.
La velocità di Cut-in è la velocità del vento minima a cui la
turbina inizia a produrre energia (di solito 3 m/s).
Per velocità inferiori il rotore gira, ma non è in grado di generare
corrente. Minore è la velocità di Cut-in maggiore è la
capacità di generare con venti leggeri e quindi per un maggior numero
di ore annue.
La velocità di Cut-out è la massima velocità del vento a cui
la turbina è in grado di lavorare, superata la quale essa si mette
automaticamente in sicurezza.
|
|