Cos’è una turbina eolica. Funzionamento e dimensioni

Ecco come funziona la turbina eolica, con cui si trasforma il moto del vento in energia elettrica pulita e rinnovabile. Siamo abituati a vederle su crinali di colline e montagne, al largo del mare del Nord oppure, nel caso delle turbine più piccole, nei campi agricoli e in cima agli edifici, ma ne esistono di forme e dimensioni varie e sorprendenti.

Una volta si chiamavano mulini a vento. Ora sono turbine eoliche o aerogeneratori. Una, due, non più di tre pale che ruotano, lente, generose, a ogni soffio di vento. Stiamo abituandoci a vederle su crinali di colline e montagne, al largo del mare del Nord oppure, nel caso delle turbine più piccole, nei campi agricoli e in cima agli edifici, ma ne esistono di forme e dimensioni varie e sorprendenti.

Ecco come le più avanzate e moderne macchine trasformano il vento in energia elettrica spendibile, propagata sulla rete elettrica nazionale, fino a casa nostra.

Interessante vista anteriore del rotore a cui sono imperniate le pale della turbina eolica.
Interessante vista anteriore del rotore a cui sono imperniate le pale della turbina eolica.

Esistono molti tipi diversi di turbine, su diversi tralicci e delle più disparate dimensioni, dai 2 metri di diametro delle turbine domestiche ai 164 metri della più grande turbina al mondo, la titanica Mhi Vestas V164 da 8MW.

Il vento è da sempre una forza motrice che accompagna l’umanità, dalle barche a vela ai mulini olandesi. L’energia eolica da sempre consiste nello sfruttamento dell’energia cinetica dell’aria convertita in energia meccanica attraverso l’uso di aeromotori, ad esempio per la movimentazione, macinatura e frantumazione dei materiali, oppure convertita in energia elettrica, continua o alternata, attraverso l’uso di aerogeneratori – ossia, appunto, i generatori eolici – o turbine eoliche.

Le turbine eoliche vengono – ovviamente – installate di preferenza in luoghi che garantiscono adeguate condizioni di vento, colline o dorsali montuose, oppure in mare aperto (in questo caso si chiama eolico offshore). Normalmente gli aerogeneratori vengono impiantati a gruppi, parchi eolici, così da sfruttare bene aree geografiche dalle condizioni particolarmente favorevoli e costituire un nucleo apprezzabile di produzione elettrica da collegare alla rete elettrica di distribuzione nazionale.

Esempio di turbina eolica integrata in architettura: Bahrein World Trade Center.
Esempio di turbina eolica integrata in architettura: Bahrein World Trade Center.

Molto interessante è la frontiera dell’eolico integrato in architettura, con alcune spettacolari realizzazioni su moderni grattacieli e su monumenti storici. Infatti la Torre Eiffel è stato ristrutturata in chiave sostenibile grazie all’installazione di due turbine eoliche verticali che producono energia rinnovabile.

I componenti di una turbina eolica ad asse orizzontale

  • Rotore
  • Mozzo
  • Moltiplicatore di giri
  • Generatore
  • Sistemi di controllo e orientamento
  • Gondola o navicella
  • Torre di sostegno
  • Trasformatore
  • Fondamenta e cavi
  • Linea elettrica
L’elettricità viene prodotta per mezzo di un aerogeneratore, ossia una turbina posta su un asse verticale e messa in moto da delle pale.
L’elettricità viene prodotta per mezzo di un aerogeneratore, ossia una turbina posta su un asse verticale e messa in moto da delle pale.

Come un’elica d’aeroplano, il vento fa muovere le pale ancorate al mozzo cui è fissato il rotore.

Il rotore è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale.

Le pale sono in fibra di vetro e in materiali compositi.

I rotori a due pale sono meno costosi e girano a velocità più elevate. Sono però più rumorosi e sono soggetti a maggiori vibrazioni rispetto ai modelli a tre pale. Tra i due, la resa energetica è quasi equivalente. Sono stati realizzati anche rotori con una sola pala, equilibrata da un contrappeso – a pari condizioni questi rotori sono ancor più veloci dei bipala, ma hanno rese energetiche leggermente inferiori. Ci sono anche rotori con numerose pale, fino a venti, ma questi vengono usati per l’azionamento diretto di macchine, pompe. Sono anche stati messi a punto rotori con pale “mobili”: variando l’inclinazione delle pale in base alla velocità del vento è possibile mantenere costante la quantità di elettricità prodotta dall’aerogeneratore. E cominciano a vedersi turbine eoliche di grandi designer oppure a forma di ala di colibrì.

Vi è poi un moltiplicatore di giri ad ingranaggi che serve per trasformare la rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce dell’albero alla velocità tipica di un alternatore (3.000 – 3.600 giri al minuto) che genera la corrente alternata.

La gondola (o navicella) che contiene quest’apparato relativamente elementare è ancorata al sistema d’imbardata, un servomeccanismo che serve per mantenere un allineamento più continuo possibile tra l’asse del rotore e la direzione del vento.

La torre di sostegno può essere tubolare o a traliccio, conficcata nel terreno con le sue fondamenta.

La produzione d’elettricità è regolata dai sistemi di controllo, da software e dal box di trasformazione a terra, con l’allacciamento alla rete. L’aerogeneratore opera a seconda della forza del vento; al di sotto di una certa velocità le macchine sono incapaci di partire; perché ci sia l’avviamento è necessario che la velocità raggiunga una soglia minima di inserimento, diversa da macchina a macchina, ma a partire da circa 4-5 metri al secondo (15-18 Km/h).

La turbina eolica produce elettricità dal vento. L’elettricità viene prodotta per mezzo di un aerogeneratore, ossia una turbina posta su un asse verticale e messa in moto da delle pale. Per assicurare un rendimento ottimale, le turbine eoliche vengono installate di preferenza sui rilievi collinari e montuosi, o comunque in luoghi che garantiscano adeguate condizioni di vento, ma possono essere collocati anche in mare aperto.
L’elettricità viene prodotta per mezzo di un aerogeneratore, ossia una turbina posta su un asse verticale e messa in moto da delle pale. Per assicurare un rendimento ottimale, le turbine eoliche vengono installate di preferenza sui rilievi collinari e montuosi, o comunque in luoghi che garantiscano adeguate condizioni di vento, ma possono essere collocate anche in mare aperto o integrate negli edifici.

La potenza di una macchina eolica è tanto maggiore quanto più forte è il vento, più grandi ed efficienti sono le pale e più densa è l’aria (ad esempio al livello del mare). Laddove, ad alta quota, l’aria è rarefatta, occorrono pale più grandi. Durante il funzionamento la velocità del vento “nominale” è la minima che permette alla macchina di fornire la potenza di progetto (10-12 m/s, 35-45 Km/h, per qualche centinaio di kW per macchine dì media taglia). Ad elevate velocità (oltre i 20-25 m/s, 72-90 Km/h) l’aerogeneratore si ferma per motivi di sicurezza.

Le turbine eoliche di classe multi-megawatt hanno velocità di rotazione comprese tra 18 giri/min e 25 giri/min secondo la dimensione e il tipo di aerogeneratore. Insomma, stiamo parlando di un giro ogni tre secondi.

Sensori che rilevano costantemente la velocità di rotazione del rotore della turbina eolica.
Sensori che rilevano costantemente la velocità di rotazione del rotore della turbina eolica.

Davanti all’albero principale i sensori misurano la velocità di rotazione del rotore cosicché la velocità di rotazione reale possa essere sempre monitorata.

Le pale, dunque, ruotano molto lentamente, una realtà ben diversa dall’idea di giganteschi ventilatori che alcuni immaginano.

Le dimensioni delle turbine eoliche

Volendo, si può anche acquistare una turbina eolica domestica. Esistono in commercio microturbine, di dimensioni ridottissime, che si possono collocare sul tetto delle case. Potenze da 3 a 10 kW, ingombro di pochi metri (anche solo 2) e arrivano ad avere anche conformazioni originali: 5 pale, o assi verticali design alternativi  e fantasiosi (come la turbina eolica che somiglia ad un albero)  o addirittura turbine eoliche senza pale.

Le turbine eoliche di piccola taglia, con potenze variabili da 20 a 100 kW, hanno rotori del diametro di 12 – 20 metri; in genere hanno 3 pale. La struttura di supporto è costituita, normalmente, da un traliccio o da una torre flessibile in acciaio. Simili macchine sono generalmente utilizzate da piccole aziende industriali e agricole in funzione della loro richiesta d’energia e di quella fornita dal generatore eolico. Ad esempio negli Stati Uniti è in commercio una turbina da 10 kW il cui costo si aggira sui 25.000 dollari producendo,con una velocità del vento di 6 m/s (20 km/h) circa 2000 kW/h. Ideale da installare in campi agricoli e fattorie.

Le turbine eoliche di media taglia, invece, hanno potenze dai 100 ai 1.000 kW e rotori dai 20 ai 50 metri di diametro e sono caratterizzate, generalmente, da rotori a 2 o 3 pale. Macchine da 700 kW vengono utilizzate anche per realizzare centrali eoliche, con potenze installate a volte anche superiori ai 10 Mw, con immissione d’energia direttamente in rete.

Le turbine eoliche più imponenti, infine, hanno potenze da 1 a oltre 8 MW e rotori con diametri da 50 metri in su. Alcune di queste più grandi macchine sono ancora in fase sperimentale, ma almeno dieci modelli giganteschi sono già disponibili sul mercato o già in opera.

Il prototipo della più grande turbina eolica funzionante al mondo: la V164 © Vestas
Il prototipo della più grande turbina eolica funzionante al mondo: la V164 © Vestas

La più grande turbina al mondo funzionante è la Mhi Vestas V164 da 8MW: ognuna delle sue tre pale è lunga 80 metri e pesa 33 tonnellate. 8 MW di energia vuol dire che, da sola, una di queste turbine dà elettricità a 7.500 case. 220 metri di altezza (è alta più di due terzi della Torre Eiffel) e 5.900 tonnellate di peso (più di 10 aeroplani Airbus 380 a pieno carico). Le sue pale rotanti di 80 metri “spazzano” un’area equivalente a tre campi da calcio. Ne è in arrivo una di dimensioni simili, la Adwen AD-180, nata da una joint venture tra Gamesa e Areva, la cui pala sarà di 88,4 metri, il 10 per cento più lunga.

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