Principio di funzionamento: convertire l’energia cinetica del vento in elettricità
Le turbine eoliche servono a trasformare il vento in energia elettrica. Quando il vento soffia, colpisce le pale della turbina, facendole girare. Le pale sono sagomate in modo particolare, simili alle ali di un aereo, e questa forma permette di “catturare” meglio il vento, facendo ruotare il rotore. Questa rotazione mette in movimento un sistema meccanico collegato a un generatore, che produce elettricità. In molti modelli, c’è anche un meccanismo chiamato moltiplicatore di giri che aumenta la velocità di rotazione prima che arrivi al generatore. In alcune turbine moderne, questo passaggio è evitato con sistemi a trasmissione diretta.
La corrente prodotta viene poi adattata per poter essere utilizzata in casa o immessa nella rete elettrica. Per funzionare bene, la turbina deve essere sempre rivolta nella direzione del vento. Per questo, è dotata di un sistema che la orienta automaticamente. Inoltre, può regolare l’inclinazione delle pale per sfruttare al meglio il vento o, se troppo forte, rallentare o fermarsi per sicurezza.
La turbina si attiva solo quando il vento supera una certa velocità minima (di solito circa 3 metri al secondo) e si spegne se il vento diventa troppo forte (oltre i 20-25 m/s), per evitare danni. Anche se non riesce a trasformare tutta l’energia del vento, una turbina moderna è abbastanza efficiente da fornire energia pulita a molte abitazioni, contribuendo alla riduzione delle emissioni.
Tipologie di turbine: orizzontali e verticali
Le turbine eoliche sono dispositivi meccanico-elettromeccanici destinati alla conversione dell’energia cinetica del vento in energia elettrica. Il principio fisico di base è legato alla legge di Betz, che stabilisce un limite teorico massimo (59,3%) all’energia eolica convertibile da una turbina.
Componenti Principali:
- Rotore: insieme delle pale collegate a un mozzo. Le pale sono progettate con profili aerodinamici simili a quelli delle ali degli aerei, per generare portanza.
- Generatore: converte l’energia meccanica del rotore in elettricità. Può essere sincrono o asincrono, a magneti permanenti o con eccitazione esterna.
- Trasmissione: nella maggior parte delle HAWT è presente un moltiplicatore di giri per adattare la velocità del rotore a quella richiesta dal generatore.
- Sistema di controllo: include il pitch system (regola l’inclinazione delle pale), lo yaw system (orienta la turbina rispetto al vento), e una centralina di controllo elettronico.
- Torre: supporta il rotore e la navicella, posizionandoli a un’altezza adeguata per sfruttare venti più costanti e meno turbolenti.
- Fondazioni: assicurano stabilità alla struttura, soprattutto in impianti offshore, dove si usano fondazioni monopalo, jacket o floating.
Un altro elemento fondamentale è il tipo di pala eolica impiegata. Le turbine eoliche si distinguono in base al tipo di rotore, che è il componente responsabile della trasformazione dell’energia del vento in energia elettrica. Esistono due principali categorie di rotore:
- A asse verticale (note come VAWT): questo tipo di turbina ha costi inferiori e richiede meno manutenzione rispetto all’altro modello, anche se ha un rendimento energetico più basso. È spesso scelta per installazioni in contesti urbani, dove il vento è meno regolare.
- A asse orizzontale (chiamate HAWT): queste turbine sono più grandi e capaci di sfruttare meglio l’energia del vento. All’interno di questa categoria si distinguono due varianti: Sopravento e Sottovento
La differenza tra le due dipende dall’orientamento dell’asse del rotore rispetto al vento. Nelle turbine sopravento, il rotore è posizionato in modo da essere rivolto verso la direzione del vento, e vengono utilizzati sistemi attivi per mantenere costantemente questo orientamento. Nelle turbine sottovento, invece, il rotore è posto dalla parte opposta al vento e l’allineamento avviene in modo naturale, seguendo la direzione del flusso d’aria.
Spiegazione tecnica delle turbine eoliche
Tra le turbine eoliche con rotore verticale, le due principali tipologie presenti sul mercato sono: la turbina Darrieus e la turbina Savonius. Le turbine ad asse verticale (VAWT) vengono spesso scelte per usi residenziali o in aree urbane. Hanno solitamente 2 o 3 pale montate intorno a un albero che ruota in verticale. Una particolarità è che il generatore si trova nella parte inferiore della struttura, vicino al suolo, rendendo più semplice la manutenzione. Le pale, invece, sono montate attorno all’albero centrale della torre. Queste turbine si vedono a volte installate lungo le autostrade, dove il passaggio dei veicoli crea correnti d’aria che aiutano a far girare le pale e a produrre energia. Funzionano sfruttando il vento da tutte le direzioni e possono adattarsi a diversi tipi di velocità del vento.
1) Turbina eolica Darrieus
La turbina Darrieus, progettata dall’ingegnere Georges Darrieus, è una turbina ad asse verticale caratterizzata da pale curve a profilo aerodinamico, ancorate all’estremità superiore e inferiore dell’albero rotante. La geometria delle pale è pensata per sfruttare il principio della portanza, generando una forza tangenziale che induce la rotazione del rotore quando il vento incide con un angolo opportuno.
Il funzionamento si basa sulla variazione della pressione tra le superfici delle pale, simile al principio che consente il volo degli aeromobili. Questa tipologia di turbina offre un buon rendimento aerodinamico a velocità di rotazione elevate, ma non è autoavviante: necessita quindi di un sistema di avvio esterno (motore ausiliario o impulso iniziale).
2) Turbina eolica Savonius
La turbina Savonius è una turbina ad asse verticale basata sul principio del trascinamento (drag-based). È costituita da due o più pale concave, tipicamente disposte in configurazione semicircolare o elicoidale, che avvolgono parzialmente l’asse del rotore. Durante il funzionamento, il vento impatta direttamente su una pala, generando una forza di spinta, mentre l’altra, posta nella zona d’ombra aerodinamica, oppone resistenza minore, creando una coppia torcente che mette in rotazione il sistema.
Sebbene le Savonius abbiano un’efficienza inferiore rispetto alle turbine a portanza, presentano vantaggi significativi in termini di autoavviamento, robustezza meccanica e semplicità costruttiva. Sono ideali per applicazioni a bassa potenza e in contesti con venti turbolenti, intermittenti o di bassa intensità.
3) Turbina eolica Gorlov
La turbina elicoidale Gorlov (GHT) è una turbina idraulica derivata dal progetto della turbina Darrieus, dalla quale si differenzia principalmente per l’adozione di pale elicoidali invece che dritte. Il progetto fu sviluppato dal prof. Alexander M. Gorlov della Northeastern University e brevettato in una serie di registrazioni che vanno dal 19 settembre 1995 al 3 luglio 2001. Dal punto di vista fisico, la GHT si basa sugli stessi principi aerodinamici della turbina Darrieus, a cui appartiene come evoluzione tecnica. Condividono la stessa soluzione tecnica: l’utilizzo di pale elicoidali consente di eliminare le oscillazioni di coppia (pulsatory torque) tipiche dei modelli a pale dritte, migliorando la regolarità della rotazione e l’efficienza operativa.
Le turbine eoliche possono essere classificate in onshore e offshore, a seconda della loro posizione di installazione, ciascuna con caratteristiche uniche.
- Le turbine onshore: sono collocate su terreni terrestri, solitamente in aree rurali o montuose. La loro installazione è meno costosa rispetto alle turbine offshore, poiché l’accesso è più semplice e i costi di manutenzione sono contenuti. Tuttavia, il vento che raggiunge la terraferma è più variabile e turbolento, il che riduce l’efficienza di generazione energetica. Le turbine onshore sono anche più piccole, adattandosi meglio a spazi limitati e meno influenti sull’ambiente visivo e acustico locale. Hanno una durata di circa 20-25 anni.
- Le turbine offshore: al contrario, sono installate in mare aperto, dove i venti sono più forti e costanti. Questo le rende molto più efficienti nel generare energia. Tuttavia, i costi di installazione e manutenzione sono molto più alti a causa della difficoltà di accesso e delle tecnologie specializzate necessarie. Le turbine offshore sono di dimensioni maggiori, permettendo una produzione energetica superiore. Sebbene abbiano un minore impatto visivo, l’installazione in mare può alterare gli ecosistemi marini. La loro durata è inferiore, circa 15-20 anni, e la manutenzione è più complessa.
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