Cosa sono le turbine eoliche?
Le turbine eoliche sono una forma di energia rinnovabile che può essere installata sia onshore che offshore. Funzionano convertendo l'energia cinetica del vento in elettricità attraverso un generatore azionato dalla rotazione di una turbina.
Le turbine eoliche variano in dimensioni, dalle piccole unità per uso domestico (potenza in kW) alle grandi installazioni che possono alimentare intere città (potenza in MW). Con il progresso tecnologico, stanno diventando sempre più economiche.
Turbine Eoliche
L'uso delle turbine eoliche offre numerosi vantaggi, come la riduzione della dipendenza dai combustibili fossili (carbone, petrolio, ecc.) e la diminuzione delle emissioni di gas serra. Tuttavia, ci sono anche alcuni svantaggi da considerare, come il rumore e l'impatto visivo. In generale, le turbine eoliche sono considerate un metodo pulito ed efficiente per generare energia rinnovabile.
Cos'è il vento e come si forma?
Il vento è il movimento dell'aria all'interno della nostra atmosfera, causato dalle differenze di pressione dovute a vari fattori. Quando l'aria viene riscaldata dal sole, sale, creando un'area di bassa pressione. Al contrario, quando l'aria si raffredda, scende, formando un'area di alta pressione. Queste differenze di pressione provocano il movimento dell'aria dalle aree di alta pressione a quelle di bassa pressione, poiché la pressione cerca di equilibrarsi.
La velocità del vento dipende dall'entità della differenza di pressione. Una maggiore differenza di pressione genera venti più forti, mentre una minore differenza di pressione produce brezze più leggere. Se non ci fosse nessuna differenza di pressione, non ci sarebbe vento, ma questo non accade in situazioni reali. Il processo continuo di equalizzazione della pressione porta a un movimento costante dell'aria, modellando i modelli meteorologici e i climi che sperimentiamo quotidianamente.
Per comprendere meglio come si verifica il vento, possiamo fare riferimento al processo di convezione naturale. L'aria riscaldata sale poiché diventa meno densa e l'aria più fresca la sostituisce a causa della sua maggiore densità. Questo spostamento spinge l'aria meno densa (aria più calda) verso l'alto, creando un ciclo di aria che sale e aria che scende. La convezione naturale avviene su una scala molto più ampia nell'atmosfera terrestre, ma il principio di base rimane lo stesso.
Convezione Naturale
Quali sono i principali tipi di turbine eoliche?
Le turbine eoliche possono essere classificate in vari modi, ma uno dei più semplici è in base al loro asse di rotazione. Le turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWT) sono utilizzate per applicazioni commerciali di grandi dimensioni e sono quelle più comuni. Le turbine eoliche ad asse verticale (VAWT) sono meno comuni, meno efficienti e non utilizzate per applicazioni commerciali di grandi dimensioni.
Quali sono le principali parti di una turbina eolica?
Di seguito viene fornita una panoramica di ciascun componente della turbina eolica per familiarizzare con essi; successivamente, viene fornita una descrizione dettagliata di ciascuna parte.
Parti della Turbina Eolica
Le principali parti di una turbina eolica sono:
- Fondazione – supporta il peso della turbina e di tutte le sue parti. La fondazione è tipicamente costruita in cemento o acciaio.
- Torre – fornisce supporto strutturale ed eleva la navicella.
- Navicella – ospita tutta la macchina di generazione di energia.
- Rotore – composto dalle pale e da un mozzo.
- Pale – progettate con una forma a profilo alare per catturare l'energia cinetica del vento e convertirla in potenza meccanica.
- Mozzo – un pezzo comune a cui tutte le pale si collegano.
- Albero a bassa velocità – trasferisce l'energia meccanica (movimento rotatorio) dal rotore a un riduttore.
- Riduttore – prende la velocità di rotazione dell'albero a bassa velocità e la aumenta.
- Albero ad alta velocità – l'uscita ad alta velocità del riduttore si collega all'albero ad alta velocità.
- Generatore – converte l'energia meccanica dall'albero ad alta velocità in energia elettrica.
- Sistema frenante – ferma la rotazione del rotore in caso di emergenza, o quando la velocità del vento è troppo bassa, o quando si effettuano manutenzioni sulla turbina.
- Sistema di controllo dell'imbardata – un sistema idraulico che allinea il rotore della turbina con la direzione del vento per un'ottimale cattura dell'energia.
- Sistema di controllo del passo – un sistema idraulico utilizzato per cambiare il passo delle pale del rotore. Variare il passo (angolo di attacco) varia la potenza di uscita della turbina.
- Elettronica – regola la tensione e la frequenza di uscita del generatore.
- Trasformatore – solitamente installato alla base della torre o montato all'interno della navicella. Il trasformatore aumenta la tensione di uscita del generatore per una trasmissione di potenza efficiente.
Verrà ora fornita una visione dettagliata di ciascuna delle principali parti di una turbina eolica.
Torre
La torre eleva la navicella, massimizzando così la sua esposizione alle velocità del vento più elevate presenti a maggiori altezze. Maggiore è la velocità del vento, maggiore è la quantità di energia disponibile per la conversione in energia elettrica.
Navicella
La navicella è un involucro situato in cima alla torre. Ospita tutta la macchina di generazione di energia, compreso il riduttore, il generatore e i sistemi di controllo. La navicella protegge la macchina di generazione di energia dall'ambiente, riducendo così gli effetti dell'usura, della corrosione e dell'erosione.
Rotore
Il rotore è composto da due parti principali: le pale e il mozzo. Il rotore cattura l'energia del vento e la converte in potenza meccanica. Quando il vento scorre sulle pale, induce una forza rotatoria (coppia) che viene trasmessa al mozzo e, di conseguenza, al resto delle parti rotanti della turbina (albero a bassa velocità, riduttore, albero ad alta velocità e generatore).
Pale
Le pale convertono l'energia cinetica del vento in energia meccanica; ciò è ottenuto perché ciascuna delle pale ha una forma a profilo alare. Il design a profilo alare genera sollevamento mentre l'aria scorre sulla superficie della pala. Il sollevamento è la forza lineare che agisce sulla pala, ma è la coppia - una forza rotatoria - che causa la rotazione delle pale.
Mozzo
Il mozzo serve come punto di connessione centrale per tutte le pale della turbina. Il mozzo trasferisce il movimento rotatorio generato dalle pale all'albero a bassa velocità, e poi alle altre parti rotanti della turbina.
Albero a bassa velocità
L'albero a bassa velocità trasmette il movimento rotatorio del rotore al riduttore.
Riduttore
Il riduttore prende la bassa velocità di rotazione dell'albero a bassa velocità e la aumenta prima di passarla all'albero ad alta velocità.
Albero ad alta velocità
L'albero ad alta velocità trasferisce l'energia rotatoria dal riduttore al generatore.
Generatore
Il generatore è responsabile della conversione finale dell'energia. Converte l'energia meccanica dall'albero ad alta velocità in energia elettrica.
Sistema frenante
Il sistema frenante consente un controllo operativo sicuro della turbina eolica. Può fermare la rotazione del rotore durante le emergenze, le basse velocità del vento o per attività di manutenzione.
Sistema di controllo dell'imbardata
Il sistema di controllo dell'imbardata è utilizzato per regolare l'orientamento della navicella e del rotore rispetto alla direzione del vento. Questo sistema ottimizza la cattura dell'energia assicurando che le pale siano rivolte verso il vento all'angolo più efficiente. I sistemi di controllo dell'imbardata sono solitamente attuati elettricamente o idraulicamente.
Sistema di controllo del passo
Il sistema di controllo del passo modifica l'angolo di attacco delle pale del rotore rispetto al vento. Regolando il passo di una pala si regola la potenza totale di uscita della turbina. A causa della natura del vento e delle sue condizioni variabili, il controllo del passo è essenziale per il funzionamento efficiente di una turbina eolica.
Elettronica
L'elettronica gestisce e regola vari aspetti del funzionamento della turbina. Controllano la tensione e la frequenza di uscita del generatore, assicurando che la turbina possa essere collegata (sincronizzata) alla rete in modo sicuro ed efficiente.
Trasformatore
Di solito situato alla base della torre o all'interno della navicella, il trasformatore serve per aumentare la tensione di uscita del generatore. Questo aumento (step-up) della tensione causa una riduzione della corrente, il che significa che le perdite di potenza di trasmissione possono essere ridotte significativamente.
Cavi e Sottostazione
I cavi trasportano l'energia elettrica dalla turbina eolica a una sottostazione. Più turbine eoliche si collegano a una singola sottostazione. La sottostazione collega il parco eolico alla rete elettrica.
Come funzionano le turbine eoliche?
Le turbine eoliche commerciali sono strutture alte, di solito con tre pale, che ruotano attorno a un asse centrale. L'asse centrale è formato da un albero a bassa velocità tra un mozzo del rotore e un riduttore, e un albero ad alta velocità tra il riduttore e il generatore elettrico (i due alberi non sono letteralmente installati lungo un asse centrale, ma sono leggermente sfalsati).
Le pale della turbina sono ruotate dall'energia cinetica del vento (energia dal movimento). Ciascuna pala ha una forma a profilo alare per massimizzare il sollevamento e minimizzare la resistenza. Il sollevamento è una forza che agisce sulle pale mentre il vento le attraversa, ma è la coppia (forza rotatoria) che causa la rotazione delle pale attorno all'asse centrale.
Design a Profilo Alare
Le pale si collegano a un mozzo del rotore comune, che si collega a un albero a bassa velocità, poi a un riduttore, poi a un albero ad alta velocità e infine a un generatore. L'energia cinetica del vento viene convertita in potenza meccanica dalle pale della turbina; questa potenza viene poi trasferita a un generatore dove viene convertita in energia elettrica. Tutti questi componenti sono ospitati all'interno di una navicella, che è installata in cima a una torre.
Le turbine eoliche spesso utilizzano un design a torre monopalo cilindrico, sebbene siano possibili anche costruzioni di tipo reticolare. Le torri monopalo sono tipicamente fabbricate in acciaio, ma possono anche essere costruite in cemento.
Quanto possono essere grandi le turbine eoliche?
La più grande turbina eolica commerciale è la Haliade-X di General Electric. La Haliade-X è alta 260 m (853 ft), ha un diametro del rotore di 220 m (721 ft) e può generare quasi 13 MW di energia elettrica (sufficiente per circa 10.000 case).
Perché le turbine eoliche sono così alte?
Le velocità del vento sono maggiori a quote più elevate. La quantità di energia che una turbina eolica può estrarre dal vento è proporzionale alla velocità del vento. Velocità del vento più elevate contengono più energia potenziale, quindi le turbine eoliche sono costruite alte per raggiungere questa energia potenziale e raccoglierla.
Quali sono i vantaggi delle turbine eoliche?
Le turbine eoliche sono sempre più utilizzate come fonte di energia rinnovabile. Ci sono molti vantaggi nell'utilizzare le turbine eoliche rispetto alle tradizionali fonti di combustibili fossili, tra cui la loro assenza di emissioni (una volta installate e messe in funzione), bassi costi di manutenzione e capacità di generare elettricità anche a basse velocità del vento. Le turbine eoliche possono anche essere utilizzate per integrare altre fonti di energia, come il solare (fotovoltaico, spesso abbreviato come 'PV'), idro e centrali non rinnovabili (carbone, gas, petrolio ecc.). Inoltre, le turbine eoliche possono essere costruite su una varietà di tipi di terreno, inclusi terreni agricoli, deserti, aree urbane e persino in mare (offshore).
Quali sono gli svantaggi delle turbine eoliche?
Le turbine eoliche sono una fonte di energia rinnovabile sempre più popolare, ma presentano anche alcuni svantaggi. Uno dei problemi più significativi è che le turbine eoliche possono essere visivamente sgradevoli per alcune persone, in particolare nelle aree rurali. Rappresentano anche una fonte di inquinamento acustico, poiché le pale di una turbina possono generare rumore a causa del movimento delle pale attraverso l'aria, e talvolta anche a causa delle vibrazioni. Le turbine eoliche possono rappresentare una minaccia per la fauna selvatica, poiché uccelli e pipistrelli possono essere uccisi se volano contro le pale. Infine, le turbine eoliche possono essere una fonte di inquinamento luminoso, poiché le pale rotanti creano ombre tremolanti.
Nel complesso, le turbine eoliche offrono una fonte di energia relativamente pulita, ma presentano anche piccoli svantaggi.
Dove può essere installata una turbina eolica?
Le turbine eoliche possono essere trovate in una varietà di luoghi, dai campi aperti alle cime delle montagne. Spesso, sono raggruppate in 'parchi eolici' che possono generare quantità significative di energia (centinaia di Megawatt). Alcuni dei più grandi parchi eolici si trovano negli Stati Uniti, in Cina, nel Regno Unito e in Germania. Man mano che l'uso dell'energia eolica continua a crescere, è probabile che le turbine eoliche diventino ancora più comuni.
Parco Eolico
Risorse per saperne di più sulle turbine eoliche:
Il Programma Eolico del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha una vasta gamma di informazioni sul suo sito web.
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Risorse Aggiuntive
https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine
https://www.enelgreenpower.com/learning-hub/renewable-energies/wind-energy/wind-turbine
https://www.repsol.com/en/energy-and-the-future/future-of-the-world/wind-turbine/index.cshtml