A small wind energy application in a rural context

The gradual orientation towards new energy systems based on renewable energies, which is taking the form of a global phenomenon, underlines the ever-increasing importance of the efficient exploitation of the natural resources any country in the world is endowed with. Within this constantly evolving scenario, wind energy may be seen as a viable alternative to the more widespread and well-known technology nowadays present on the market, to wit solar PV. Economic figures substantiate this assumption, given that in certain conditions harnessing wind is not only competitive with, but cheaper than installing solar PV. Albeit the focus is on utility scale systems, this trend – although to a lesser extent – is similarly visible for off-grid solutions at household or community level, where wind energy might be fundamental for granting access to electricity and/or improving water supplies of rural areas of developing countries. In light of the above, the present work is explicitly dedicated to such contexts and aims at analysing the general behaviour of a new combined tower mast – foundation system specifically designed for reducing the occupied land. In particular, this is characterised by a single foundation of limited dimensions able to accommodate the anchoring of the three guys of the central pole on which is possible to locate a so-called small wind turbine. The validation of such a design is performed by means of three different models capable of evaluating the relative importance of the soil – structure interaction (depending on the characteristics of the soil itself). Furthermore, a better grasp of the effectiveness of the design is achievable through its application to a real rural environment, which is that of Ngare Nanyuki Secondary School (Arusha Region, Tanzania), where Politecnico di Milano is actively involved in carrying on the Energy4Growing (E4G) project. The load demand of the school (over a period of around one year) is used as starting point for highlighting a typical phenomenon of rural contexts, namely the direct coupling of the wind turbine to the load demand (thoroughly bypassing any storage system) thanks to the intrinsic random variability of the latter. The investigation is carried out through time history analyses with the clear purpose in mind of identifying the relative importance of this additional phenomenon with respect to the usual dependency on wind variability.

Il progressivo orientamento verso sistemi energetici di nuova concezione basati sulle energie rinnovabili che si sta palesando come fenomeno globale, sottolinea l’importanza crescente dell’efficiente sfruttamento delle risorse naturali di cui è dotato ogni singolo paese. All’interno di questo contesto in continua evoluzione, l’energia eolica può essere vista come un’alternativa sostenibile alla tecnologia attualmente più conosciuta e maggiormente diffusa, quali sono i pannelli fotovoltaici. A sostegno di questo, dati economici affermano come in certe condizioni lo sfruttamento dell’energia eolica sia non solo competitivo, ma più conveniente di questi ultimi. Sebbene l’attenzione sia principalmente focalizzata su impianti di grandi dimensioni (utility scale), questo fenomeno può essere osservato in misura minore anche a livello di singole utenze non connesse alla rete elettrica nazionale, nelle quali lo sfruttamento dell’energia eolica può rivestire un ruolo fondamentale per garantire l’accesso all’elettricità e/o il miglioramento della disponibilità di acqua in aree rurali di paesi in via di sviluppo. Alla luce di quanto affermato e con particolare riferimento a questi contesti, il presente lavoro si prefigge l’obbiettivo di indagare il comportamento di un nuovo sistema combinato di fondazione e palo strallato. Nello specifico, le fondazioni di ridotte dimensioni sono in grado di ospitare al loro interno gli ancoraggi degli stralli del palo centrale, il quale è progettato per alloggiare in sommità una turbina eolica di piccola taglia (una cosiddetta small wind turbine): il fine ultimo di questa soluzione è la riduzione dell’ingombro a terra rispetto ai metodi tradizionali. La validazione viene effettuata mediante dei modelli in grado di determinare l’importanza dell’interazione terreno – struttura al variare delle caratteristiche del sottosuolo. Inoltre, al fine di ottenere un riscontro pratico, tali modelli vengono applicati ad un caso reale per valutare l’influenza di un fenomeno tipicamente connesso ai paesi in via di sviluppo, ossia l’accoppiamento diretto della turbina eolica ai carichi elettrici delle singole utenze. Nello specifico, si determina l’importanza relativa di questo effetto in rapporto all’unico altro parametro in grado di influenzare il comportamento delle turbine eoliche: la variabilità del vento. Per raggiungere tale obbiettivo, il caso pratico individuato è quello della scuola di Ngare Nanyuki (Tanzania), nella quale il Politecnico di Milano è già presente da anni con l’installazione e il monitoraggio quotidiano di una mini-rete elettrica ibrida, basata principalmente sullo sfruttamento delle risorse idriche presenti. Avendo a disposizione i dati relativi al consumo elettrico della mini rete per un periodo di circa un anno, è possibile disaccoppiare il problema e stabilire gli effetti ascrivibili alla variabilità dei carichi nei confronti del vento mediante analisi temporali nelle quali l’andamento viene opportunamente generato attraverso processi stocastici (data l’assenza di un anemometro nella scuola).