Nello scorso post abbiamo iniziato ad affrontare l’argomento Energia Eolica, il quale ci terrà occupati durante le prossime settimane, ed abbiamo iniziato con un post “storico” nel quale sono stati mostrati esempi più o meno appartenenti al passato di mulini a vento di varie parti del mondo.
Questo lunedì iniziamo ad affrontare questo argomento sotto un profilo più “tecnico”, ed in particolare in questo post verranno illustrati aspetti quali la nascita delle correnti ventose, le celle di circolazione, i profili di velocità del vento in funzione della quota e dell’orografia del terreno, per poi affrontare nel prossimo post le carratteristiche di ventosità di un sito.
LE ORIGINI DEL VENTO
L’energia eolica si può ritenere “figlia” dell’energia solare, in quanto l’irraggiamento che il Sole esercita nei confronti della Terra rappresenta il principale “motore ” dei venti e delle correnti marine (anche se soprattutto queste ultime sono influenzate anche da sorgenti termiche nei fondali).
I venti e le correnti marine nascono in virtù di gradienti di energia, venendo la Terra irraggiata in maniera differente da un luogo ad un altro (anche in virtù della caratteristiche dei territori), infatti si ritiene che di tutta l’energia che la Terra riceve dal Sole (circa 174200TW esprimendosi in termini di Potenza irraggiata), una quota pari a 370TW rappresenti l’energia solare che si manifesta sotto forma di venti e correnti marine.
Si possono individuare delle “macrocelle di circolazione” (come mostrato in figura) che rappresentano il moto globale che l’aria, per effetto del gradiente di temperatura, segue spostandosi dal livello del suolo alle quote più elevate:
Si individuano 3 macrocelle di circolazione per ogni settore della Terra (intendendola divisa in quarti speculari), ma osservando il pianeta in 3 dimensioni si noterà che tali celle presentano una componente rotatoria anche circonferenzialmente in virtù del moto di rotazione della Terra, oltre che presentare direzioni alternate per equilibrarsi.
PROFILI DI VELOCITA’
E’ facilmente intuibile che la velocità del vento e la sua direzione effettiva varino continuamente nel tempo, in maniera più o meno evidente, in particolare si può ritenere la velocità del vento composta da una “quota media” e da una “quota turbolenta“.
La quota turbolenta varia istantaneamente ed è di trascurabile entità rispetto alla componente media, pertanto ci si riferisce sempre alla sola componente media per le valutazioni energetiche, mentre le componenti turbolente possono fornire indicazioni qualora si vogliano valutare vibrazioni e resistenza della struttura.
Oltre quanto appena detto, è importante evidenziare che il profilo di velocità del vento varia allontanandosi dal suolo, in particolare si può osservare un profilo crescente da un valore nullo in corrispondenza del punto di contatto con il suolo fino a diventare costante al valore della “corrente indisturbata“, indicata anche con V∞.
Tale profilo di velocità è rappresentabile dalla relazione V = V0(Z/Z0)α, dove V, V0, Z, Z0 e α rappresentano rispettivamente la velocità alla quota Z, la velocità alla quota di riferimento Z0, le due quote e la “rugosità del terreno“.
La rugosità del terreno è un indice che permette di tenere conto del tipo di terreno a cui si fa riferimento per le misurazioni, in quanto eventuali scabrezze modificano in maniera più o meno sensibile il profilo di velocità del vento.
Ovviamente i valori più bassi di α si riferiscono a terreni lisci (dove con terreni si intende il concetto più generale di “suolo”, quindi è possibile considerare anche la superficie del mare), mentre valori più alti di α si riferiscono a terreni accidentati.
Un esempio di profilo di velocità del vento è riportato nella seguente immagine (tratta dal sito del DIEE dell’Università di Cagliari):
Si può notare come a parità di quota, nel caso di “suolo liscio” le velocità del vento siano inferiori rispetto alla stessa quota per “suolo rugoso”.
CARATTERISTICHE DI VENTOSITA’ TRA SITI VICINI
La ventosità di un sito viene mappata installando (tipicamente ad una quota Z0 = 5 – 10m dal suolo) degli anemometri in determinati punti al suolo, ma è ovviamente difficile disporre dei dati “puntuali” per ogni sito.
Una correlazione tra siti distanti in maniera non eccessiva (alcuni km) è possibile ipotizzando che ad una quota sufficientemente elevata (ad esempio 500m dal suolo) la velocità del vento sia la stessa in entrambi i siti, pertanto utilizzando in maniera opportuna l’equazione del profilo del vento e conoscendo la rugosità del nuovo sito, è possibile valutare la nuova velocità ad una determinata quota di interesse.
Anticipando il contenuto dei prossimi post, è importante evidenziare che una velocità elevata non è sempre positiva al fine dello sfruttamento energetico di un sito, in quanto le turbine sono in grado di operare in condizioni ottimali in un campo abbastanza ristretto di velocità del vento, preferendo la costanza delle condizioni piuttosto che i picchi, pertanto ogni valutazione dei siti deve tenere in considerazione anche questi fattori.
Vi aspetto lunedì prossimo, sempre con la nostra rubrica Energia e Futuro, dove continueremo a trattare il tema dell’Energia Eolica.
