Una turbina eolica trasforma l’energia cinetica del vento in energia meccanica all’albero del rotore e infine in energia elettrica attraverso il generatore. La massima potenza estraibile dal vento, Pmax è ottenibile se teoricamente la velocità del vento fosse ridotta a zero dal rotore dell’aerogeneratore, e vale
Pmax = 1/2 ˙m V∞2 = 1/2 ρ A V∞3 dove ˙m è la portata massica, V∞
è la velocità indisturbata del vento, ρ è la densità dell’aria e A è l’area che ha generato la riduzione di velocità dell’aria. Questa equazione per il calcolo della massima potenza disponibile è molto importante in quanto ci dice che la potenza aumenta con il cubo della velocità indisturbata del vento e solo linearmente con la densità e con l’area. La velocità del vento disponibile in un determinato sito deve essere quindi sempre misurata su un lungo periodo di tempo prima di iniziare il progetto. Nella pratica, è impossibile ridurre la velocità del vento a zero, così viene introdotto un coefficiente Cp definito come il rapporto tra la potenza effettivamente estratta e la potenza massima disponibile dal vento. Esiste un Cp,max che deriva dalla Teoria di Betz e vale 0.593. Le turbine di ultima generazione lavorano in prossimità di questo valore limite con un Cpalmeno di 0.5 e tuttavia vengono ancora ottimizzate. I marinai, scoprirono fin da subito che l’uso della portanza come principale forza per la propulsione, era di gran lunga più efficiente piuttosto che sfruttare la semplice resistenza aerodinamica. Portanza e resistenza sono le componenti della forza aerodinamica dirette rispettivamente perpendicolarmente e parallelamente alla direzione del vento relativo. É semplice dimostrare matematicamente che è di maggior efficienza l’uso della portanza, piuttosto che della resistenza, per estrarre potenza dal vento.
I moderni aerogeneratori sono formati da un certo numero di pale rotanti: se le pale sono connesse ad un albero posto verticalmente, la turbina è detta ad
asse verticale – VAWT, mentre se l’albero è posto orizzontalmente la turbina
viene detta ad asse orizzontale – HAWT.
La maggior parte delle turbine in commercio sono ad asse orizzontale e so- litamente vengono descritte in termini di diametro del rotore, numero di pale, altezza della torre, potenza nominale del generatore, e modalità di controllo. L’altezza della torre è importante in quanto la velocità del vento aumenta con l’altezza dal suolo, la grandezza del diametro del rotore ci da informazioni ri- guardo all’aera A nella formula per ricavare la massima potenza disponibile. Il rapporto tra il diametro del rotore D e l’altezza dell’hub H è sempre un
2.3. La risorsa Vento
(a) aerogeneratori ad asse verticale (b) aerogeneratore ad asse orizzontale
Figura 2.2: Classificazione delle turbine in base all’asse di rotazione
valore nell’intorno dell’unità. La potenza nominale è la massima potenza che il generatore elettrico installato sulla macchina è in grado di erogare; i sistemi di controllo servono a far si che questa potenza non venga superata in presen- za di vento forte. Il numero delle pale è tipicamente due o tre. Le turbine bi–pala sono più economiche in quanto hanno una pala in meno, ma girano più velocemente e possono risultare più fastidiose da un punto di vista visivo, mentre le turbine tri–pala appaiono meno invasive nel panorama. Una tur- bina eolica a due pale è spesso, ma non sempre, una macchina che lavora con il rotore sottovento, inoltre il collegamento all’albero è flessibile in quanto il rotore è fissato all’albero mediante una cerniera. Questo meccanismo di tipo basculante non trasferisce i momenti di tipo flettente dal rotore all’albero. Tale tipologia di costruzione risulta essere più flessibile di quella a tre pale e alcuni componenti possono essere costruiti più leggeri e più piccoli: in questo modo si riduce il costo della turbina eolica. In ogni caso, deve essere garantita la stabilità del rotore, anche di quelli flessibili. Le turbine che operano in condi- zioni di sottovento, sono più rumorose delle più tradizionali sopravento, poiché, il passaggio della pala davanti alla torre ad ogni giro, viene sentito come un rumore a bassa frequenza. La velocità di rotazione di un rotore di una tur- bina eolica è decisamente inferiore di quella dell’albero del generatore. Risulta ovvio pensare che un moltiplicatore di giri debba essere frapposto tra l’albero del rotore a bassa velocità e l’albero del generatore ad alta velocità. Questa disposizione, non è affatto l’unica opzione; per esempio, alcune turbine sono equipaggiate con generatori multipolari, che ruotano così lentamente da poter permettere l’accoppiamento diretto con l’albero del rotore. Idealmente il rotore di un aerogeneratore deve essere sempre orientato perpendicolarmente al vento.
Capitolo 2. Generalità sull’energia eolica
Sulla maggior parte delle turbine eoliche, viene installata una banderuola per misurare la direzione del vento; questo strumento è accoppiato ad un motore di imbardata che orienta la navicella in modo tale da mantenerla sempre allineata con la direzione del vento. Negli ultimi anni, il rotore è la parte della turbina eolica che ha subito il maggior sviluppo. I profili alari utilizzati per le turbine eoliche di nuova generazione, provengono dall’aviazione e non sono ottimizzati per lavorare ad elevati angoli di attacco, che invece sono spesso utilizzati nelle turbine eoliche. Anche se di vecchia concezione, i NACA63-4XX ad esempio, sono stati utilizzati nella progettazione di nuove pale eoliche, alla luce dell’e- sperienza acquisita dalle prime; successivamente i produttori di pale eoliche hanno iniziato ad utilizzare profili aerodinamicamente ottimizzati per gli aero- generatori. Nella costruzione delle pale sono stati provati diversi materiali in modo da poter garantire una sufficiente robustezza, un adeguato limite di resi- stenza a fatica ed con il prezzo più economico possibile. Oggi la maggior parte delle pale sono costruite in fibra di vetro rinforzata, vengono utilizzati anche materiali plastici e legno lamellare. A questa breve trattazione storica iniziale seguiranno argomenti di carattere tecnico a partire dal paragrafo successivo.