Lo sviluppo dell’energia rinnovabile eolica negli ultimi decenni ha portato alla diffusione di numerosi impianti eolici in tutto il mondo. Tali impianti sfruttano la forza del vento attraverso particolari dispositivi noti come aerogeneratori o turbine eoliche. Questi enormi rotori trasformano il movimento delle pale in energia elettrica grazie a sofisticati sistemi elettromeccanici.
Ma come funzionano esattamente queste turbine? Quali sono i loro componenti principali? Per quale motivo la maggior parte delle turbine eoliche utilizza tre pale? Esistono dei rischi legati al loro utilizzo?
In questo articolo analizzeremo nel dettaglio il funzionamento di questi dispositivi scoprendo i segreti che si celano dietro la produzione di energia elettrica dal vento.
La natura e il funzionamento delle turbine eoliche
Le turbine eoliche, dispositivi capaci di trasmutare l’energia eolica in elettricità, rappresentano un interessante argomento all’interno del vasto panorama delle energie rinnovabili. Mescolando elementari regole fisiche con ingegnose soluzioni tecniche, queste macchine consentono di mutare l’energia meccanica, derivante dal movimento di masse d’aria, in energia elettrica.
Questi sistemi sfruttano una regola fisica fondamentale per il nostro pianeta: le zone di diversa pressione atmosferica. Quando masse d’aria migrano da aree ad alta pressione verso aree a pressione più bassa, si producono correnti d’aria, o venti, che costituiscono la fonte primaria sfruttata dalle turbine eoliche.
Storia e utilizzo dell’energia eolica
L’umanità ha iniziato a sfruttare l’energia del vento fin dalle prime fasi della sua storia, passando dalla navigazione a vela, al macinato dei cereali con i mulini, fino alla produzione di elettricità mediante gli aerogeneratori, noti anche come turbine eoliche.
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Tipologie delle turbine eoliche
Diverse sono le forme e le dimensioni che una turbina eolica può assumere. La tipologia più diffusa è quella ad asse orizzontale, di cui si esplorano i componenti fondamentali e si ravvede lo specifico metodo con cui vengono trasformate le correnti d’aria in elettricità. La composizione a tre eliche è la più comune negli impianti eolici di grandi dimensioni, una preferenza determinata dalla particolare struttura delle pale. Ogni componente delle turbine eoliche è studiata con la massima attenzione, non solo in termini di efficienza ma anche in termini di sicurezza, infatti, sia le condizioni di funzionamento normale sia gli eventi imprevisti e gli incidenti che possono verificarsi durante l’utilizzo di questi dispositivi vengono attentamente monitorati e prevenuti.
Progressi tecnologici e diffusione delle turbine eoliche
Le turbine eoliche sono state inizialmente concepite verso la fine del XIX secolo con l’obiettivo di fornire elettricità a piccole comunità isolate. Negli anni, grazie al consistente progresso tecnologico, la loro presenza si è estesa da singoli impianti a vasti parchi eolici dedicati esclusivamente alla produzione di energia elettrica. Ora, circa 26 aziende in tutto il mondo si occupano della produzione di aerogeneratori, a ulteriore testimonianza dell’importanza crescente che queste macchine rivestono nello scenario energetico globale.
Il processo di trasformazione dell’energia eolica
Come accennato precedentemente, le turbine eoliche hanno il compito di trasformare l’energia meccanica, derivante dalla forza del vento raccolta dalle pale, in energia elettrica. Questa conversione è possibile grazie all’azione sinergica di vari componenti. Preliminarmente, l’energia eolica catturata è veicolata attraverso un albero meccanico a un generatore, il cui compito è quello di modulare l’energia cinetica di rotazione in un flusso di corrente elettrica.
Il ruolo del trasformatore nelle turbine eoliche
L’energia elettrica prodotta dal generatore, tuttavia, non è ancora pronta per l’utilizzo o la distribuzione. Per raggiungere lo stato adeguato, essa viene convogliata verso un trasformatore, generalmente situato alla base della torre eolica. Il trasformatore riveste un ruolo cardine nel completare la trasformazione dell’energia dal vento all’elettricità.
Funzione del trasformatore e distribuzione dell’energia
Il trasformatore ha la responsabilità di convertire l’elettricità a bassa tensione in corrente ad alta tensione, rendendola adeguata per essere immessa nella rete elettrica di trasmissione.
Componenti principali di una turbina eolica
La turbina eolica è composta da varie parti dinamicamente interconnesse. La torre di sostegno è lo scheletro su cui si appoggia l’intera struttura, con l’obiettivo di assorbire le vibrazioni generate dal movimento rotatorio delle eliche. Quest’ultime, venendo sollevate dal vento, danno inizio alla rotazione del rotore. Il rotore, a sua volta, è composto da un gruppo di eliche rotanti, un perno rotante noto come mozzo, e l’albero del meccanismo del “pitch control”.
Funzione del “pitch control” e della navicella
Il “pitch control” è un sistema di regolazione che gestisce la posizione e l’inclinazione delle pale rispetto al vento, oltre a bloccare la rotazione del rotore in caso di vento eccessivamente forte o debole. La navicella, o gondola, è considerata il cuore della turbina eolica. Ospita all’interno il moltiplicatore di giri, il sistema frenante, il generatore, gli attuatori del “pitch control” e il drive per il controllo di imbardata per orientare il rotore nella direzione del vento.
Movimento e trasformazione dell’energia
Quando il vento raggiunge la velocità minima di avvio, le pale iniziano a ruotare, muovendo il rotore collegato all’albero di trasmissione. Quest’ultimo, ruotando all’interno della navicella, traduce l’energia di rotazione in energia elettrica grazie al generatore. Il generatore, tramite le proprietà di induzione elettromagnetica, produce tensione elettrica. Nelle turbine eoliche di grandi dimensioni, rotore e generatore sono associati a un moltiplicatore di giri, che incrementa la velocità di rotazione per garantire la corretta alimentazione del generatore. Gli impianti eoliche, inoltre, sono dotati di un inverter che trasforma la corrente continua in corrente alternata, rendendola adeguata per l’immissione in rete o per l’autoconsumo.
Funzionamento della turbina eolica e limiti di velocità
Il funzionamento ottimale della turbina eolica si raggiunge quando quest’ultima arriva alla cosiddetta velocità nominale, ovvero la velocità del vento che permette al generatore di raggiungere la sua massima potenza. Una volta raggiunto tale binario, la potenza erogata rimane costante fino a un limite massimo di velocità del vento. Oltre questo limite il generatore si arresta per entrare in uno stato di sicurezza attivando sistemi di protezione, sia attivi che passivi, per scongiurare danni ai componenti meccanici.
Struttura e funzionamento delle eliche
Le eliche della turbina, che iniziano a muoversi quando raggiungono una determinata velocità del vento, presentano una struttura caratterizzata da sezioni di forma e misura differenziata. La loro forma aerodinamica, simile all’ala di un aereo, permette di sfruttare la differenza di pressione tra la superficie superiore e inferiore per generare movimento. Esse vengono continuamente orientate dal meccanismo del “pitch control” per allinearsi al flusso d’aria.
Numero di eliche e efficienza della turbina
La potenza di una turbina eolica non è proporzionale semplicemente al numero di eliche. L’aumento del numero di pale permette certamente un incremento della potenza, ma introduce anche intermedi di turbolenza che possono affliggere le eliche stesse, riducendo l’efficienza complessiva. Di conseguenza, una turbina con un numero esagerato di pale sarà, sì, più potente, ma anche meno efficiente. La soluzione ottimale sembra essere una composizione di tre eliche equamente distanziate, il giusto equilibrio tra potenza ed efficienza. Pesi e costi si incrementano con l’aggiunta di ulteriori eliche, con un incremento delle dimensioni strutturali nel caso di sole due pale.
Considerazioni per una corretta progettazione delle turbine eoliche
La progettazione di una turbina eolica comporta una serie di fati complessi non limitati solamente alla potenza. Fattori quali costi, esigenze di manutenzione, inquinamento acustico e impatto sull’ambiente sono altrettanto importanti. Garantisce, quindi, che la progettazione di queste strutture sia un compito che richiede un’attenta analisi di una serie di variabili interconnesse.
Importanza della manutenzione e problematiche delle turbine eoliche
Nonostante l’avanzata tecnologia impiegata, le turbine eoliche necessitano di periodiche manutenzioni per garantire la loro efficiente operatività. Purtroppo, gli aerogeneratori sono soggetti a una serie di conseguenze negative se non sono correttamente e periodicamente controllati. Questi incidenti possono essere dovuti a malfunzionamenti dei componenti interni o del sistema di lubrificazione, danni alle eliche causati dall’impatto con oggetti esterni, fulmini o condizioni meteorologiche avverse.
Conclusione
Le turbine eoliche rappresentano una delle tecnologie più promettenti per la produzione di energia pulita e rinnovabile. Sebbene la loro diffusione sia ancora limitata, esse hanno il potenziale per diventare una fonte energetica fondamentale per il nostro pianeta. Perché allora non investire ulteriormente in questo settore così strategico per il nostro futuro? Perché accontentarsi dei progressi fin qui ottenuti se si potrebbe fare ancora di più per sfruttare la forza del vento e convertirla in elettricità sostenibile?
Occorre battere nuove strade che conducano a una sempre maggiore efficienza di questi dispositivi, ad una loro capillare diffusione, in modo da orientare definitivamente le nostre società verso un modello energetico eco-compatibile. La strada è tracciata: bisogna percorrerla con coraggio e determinazione.
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