Come sono fatte, come funzionano e quali sono le principali tipologie di turbine eoliche

Le torri eoliche, o turbine eoliche, sono quelle strutture che, attraverso l'utilizzo di pale, trasformano l'energia cinetica del vento in energia meccanica ed elettrica: la cosiddetta energia eolica. Un insieme di turbine eoliche viene chiamato parco eolico. Esempi tradizionali sono i mulini a vento di Kinderdijk in Olanda o di Mykonos in Grecia, ma anche se lo scopo di utilizzo è differente dal generare elettricità, la teoria che ci sta alla base è identica alle più moderne torri eoliche. Vediamo come sono fatte al loro interno e quanta energia possono produrre.

Tipologie di generatori eolici

Concentriamoci ora sullo stato dell'arte dei generatori eolici odierni. Esistono principalmente due grandi famiglie di generatori eolici: quelli ad asse orizzontale e quelli ad asse verticale.

Generatori ad asse orizzontale

In questo caso il rotore è orientato perpendicolarmente alla direzione dell'asse di rotazione. Sono la tecnologia più sviluppata ed efficiente sul mercato in grado di estrarre dal vento il maggior valore di energia. Il rotore può essere composto da due o più pale, tipicamente, il numero di pale ottimale che ne massimizza l'efficienza è di tre. In questo articolo ci concentreremo principalmente su questa tecnologia, essendo la più diffusa.

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Come funzionano i termometri e quali sono le diverse tipologie

Generatori ad asse verticale

L'orientamento in questo caso è perpendicolare alla direzione di provenienza del vento. Esistono principalmente tre tipologie di turbine ad asse verticale: Savonius, Darrieus e H-rotor. Sono più inefficienti rispetto a quelle ad asse orizzontale e l'energia che si riesce ad estrarre dal vento a pari velocità risulta inferiore.

I generatori eolici si possono inoltre classificare in base al sito di installazione. Parleremo quindi di generatori on-shore quando questi vengono installati direttamente sul terreno mentre si parlerà di impianti off-shore quando questi vengono installati nel mare o nell'oceano. Quest'ultima soluzione di installazione anche se più costosa della prima, ha il grosso vantaggio di produrre più energia in quanto i venti in mare tendono ad essere più forti e costanti. Inoltre le installazioni off-shore presentano un minore impatto ambientale e paesaggistico.

Tipicamente, queste macchine non vengono installate singolarmente ma in gruppo, nelle cosiddette wind-farm, letteralmente le "fattorie del vento", in maniera da produrre simultaneamente più energia, massimizzando lo sfruttamento dell'energia del vento di un area più o meno vasta. Il numero di queste torri dipende dalla conformazione del territorio, nonché dalla ventosità media del sito; il loro posizionamento inoltre deve essere tale da garantire che il flusso del vento non venga disturbato dalle torri adiacenti.

Come funziona e come si compone una turbina eolica

Parliamo delle turbine ad asse orizzontale dal momento che questa è al momento la tecnologia più diffusa. Vediamo quali sono i suoi componenti principali.

• la torre, ovvero la struttura verticale in acciaio che sostiene la turbina eolica. Tipicamente si compone da due o più sezioni, imbullonate tra loro al basamento di fondazione in cemento armato. Possono raggiungere altezze considerevoli per consentire all'elica di catturare venti più forti e consistenti ad alte quote;
• la gondola o navicella è il contenitore installato sulla sommità della torre e contiene i componenti chiave della turbina eolica, come il rotore, l'albero di trasmissione e i relativi ingranaggi meccanici oltre che al generatore elettrico. Essa non è fissa alla torre ma è libera di ruotare di 180 gradi in maniera da potersi orientare in base alla direzione del vento;
• il rotore è l'elemento aerodinamico che cattura l'energia cinetica del vento. Solitamente è realizzato in materiali leggeri e resistenti come la fibra di vetro o carbonio. Le dimensioni e la forma delle pale variano a seconda della potenza elettrica che la torre è in grado di generare. Hanno una forma lunga e sottile in grado di massimizzare la superficie di cattura del vento (la cosiddetta area spazzata), garantendo allo stesso tempo robustezza e leggerezza;
• il sistema di controllo monitora la direzione e la velocità del vento e regola l'orientamento della navicella nonché delle palùe del rotore tramite azionamenti oleodinamici. In questo modo, sia la navicella che le pale possono essere allineate in modo ottimale rispetto al vento per massimizzare la produzione di energia;
• il generatore è responsabile della conversione dell'energia meccanica delle pale in energia elettrica. Le turbine eoliche moderne utilizzano solitamente generatori sincroni a bassa velocità direttamente connessi all'albero delle pale. Vengono anche utilizzati generatori ad alta velocità di rotazione per i quali è necessario però un sistema di trasmissione;
• il sistema di trasmissione è costituito da ingranaggi che amplificano la velocità di rotazione delle pale per adattarla alle esigenze del generatore. Questo consente di ottenere una maggiore efficienza elettrica. Praticamente la stessa funzione che ha la scatola del cambio di un automobile;
• In caso di vento forte o per manutenzione il rotore è dotato di un sistema di frenatura controllato automaticamente in grado fermare e bloccare le pale mettendole in sicurezza.
• alla base della torre è di solito presente un trasformatore elevatore di tensione che permette di alzare la tensione ad un valore tale da poter trasportare l'elettricità minimizzando le perdite in rete.
• tutte le torri eoliche presenti nella wind-farm sono poi collegate tra loro da cavi interrati o sottomarini (in base alla tipologia di installazione) il cui compito è quello di raccogliere tutta l'energia prodotta per convogliarla al punto di connessione con la rete di trasmissione o distribuzione. Se la potenza in gioco è molto elevata, nel punto di connessione con la rete pubblica potrebbe esserci un altro trasformatore che ne alza ulteriormente la tensione.

Quanto sono alte le torri eoliche e quanta energia producono

Le torri eoliche esistono di diverse taglie e queste dipendono direttamente dall'altezza della torre e dal diametro del rotore. In linea di principio più le torri sono alte e con diametri del rotore rilevanti, più vento sono in grado di "spazzare" e quindi più energia sono in grado di generare nell'unità di tempo. Le turbine eoliche vengono classificate in base alla loro potenza nominale, espressa in megawatt (MW).

Le torri eoliche commerciali più comuni variano da poche centinaia di kilowatt (kW) a diversi megawatt (MW) di potenza nominale. Tuttavia, turbine eoliche più grandi e potenti sono state sviluppate nel corso degli anni, raggiungendo potenze di diverse decine di MW. Il record della turbina eolica più grande del mondo lo deteneva fino a poco tempo fa la turbina sperimentale V236-15.0 MW della società danese Vestas con i suoi 15 MW di potenza per singola torre e una produzione di energia dichiarata di 80 GWh, in grado di soddisfare il fabbisogno di circa 20.000 famiglie per un anno. Ora il record è stato invece infranto dalla società cinese Mingyang Smart Energy con la sua MySE 18.X-28X, una turbina da 18 MW alta 140 metri con un diametro del rotore di 280 metri e una superficie spazzata di 66.000 metri quadrati ovvero la superficie di più di 9 campi da calcio.