EOLICO E MINI TURBINE

Sezione tecnica: come sono fatte le turbine eoliche

Spesso, per rispondere alla domanda: come sono fatte le pale eoliche, è sufficiente mostrare un piccolo disegno che chiarisce tutto. E allora lo mettiamo da subito, ma chiariamo che prendiamo in considerazione solo le turbine ad asse orizzontale e non verticale perchè sono le più diffuse, testate ed efficienti sul mercato, alle conoscenze attuali, e prendiamo in considerazione solo le bi o tri-pale per lo stesso motivo.
L'energia eolica, o meglio cinetica la chiamerebbero i fisici, subisce due trasformazioni per diventare energia elettrica: la prima da energia cinetica a energia meccanica, ed il compito è affidato alle lame, o anche pale, che compongono il rotore; la seconda da energia meccanica, attraverso a volte un riduttore quindi ancora energia meccanica, ad energia elettrica tramite il generatore.
Tutto il resto è inutile dal punto di vista della produzione elettrica da fonte eolica, serve solo a sostenere, proteggere, ridurre perdite o misurare, quello che viene prodotto.

La navicella di una turbina eolica altro non è che il contenitore dei principali organi di movimentazione della stessa, generatore di energia eolica vera e propria, riduttore di giri, freno di sicurezza, anemometro e materiale elettrico vario, come si vede nell'immagine sotto.
La navicella può ruotare su se stessa per orientarsi in modo ottimale in funzione della direzione del vento.
Il sistema di orientamento può essere meccanico, nelle pale microeoliche, oppure nella maggior parte dei casi elettrico, come avviene per le turbine minieoliche ed eoliche di grande taglia.
Il riduttore di giri è un meccanismo ad ingranaggi che porta la velocità di rotazione del rotore (asse lento) alla velocità di rotazione ottimale del generatore (asse veloce) perchè quest'ultima è spesso molto più veloce.
Il supporto del rotore, o in alcuni casi è il riduttore stesso, sono gli elementi che sostengono le pale eoliche.
Il freno di una turbina eolica è una parte essenziale di un aereogeneratore perchè è quello deputato alla frenatura della pala in caso di manutenzione e di vento eccessivo.
I meccanismi di frenata e/o rallentamento sono più di uno ed indipendenti, in modo da evitare il fuorigiri e conseguente rottura e/o distacco delle pale per accelerazione centrifuga. Sono le parti dove la manutenzione programmata non deve mancare.

Il generatore eolico è la parte attiva di produzione di energia eolica, ed è un "motore al contrario" ovvero che genera energia elettrica da energia meccanica, al contrario di quello che fa un motore elettrico.
Può essere di due tipi generali: sincrono ed asincrono.
Il primo, sincrono, mostrato nella figura sopra a destra, non è dotato di riduttore di giri perchè la velocità di rotazione è fissa ed il generatore ha una configurazione con un numero di poli molto alto per produrre energia ad una frequenza simile a quella finale.
Vantaggio del motore sincrono, oltre a non esserci il riduttore di giri e quindi un rendimento superiore, è la bassa velocità di rotazione che diminuisce di molto l'usura e di conseguenza i costi di manutenzione associati e l'aspettativa di vita complessiva della turbina eolica.
Altro vantaggio è la migliore regolazione del cos(φ) quindi restituendo un rendimento migliore.
Svantaggio da non sottovalutare è il grosso peso del generatore, e la grandezza del rotore che genera difficoltà di installazione e costi iniziali importanti.

Il secondo tipo di generatore, asincrono, ha un numero di giri variabile del rotore che viene portato ad una velocità di rotazione quasi ottimale del generatore stesso.
Il vantaggio principale è il basso costo complessivo di questa tecnologia e la reperibilità sul mercato di pezzi di ricambio perchè spesso sono generatori standard di marche note ben presenti su tutti i mercati internazionali.

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Il problema principale di questo generatore è che il massimo rendimento delle pale varia in funzione della velocità del vento, mentre il generatore può soffrire di rendimenti bassi se le condizioni di rotazione variano molto, tipicamente nel caso di raffiche di vento. Per ovviare a questo problema la maggior parte dei costruttori introduce una regolazione con un convertitore di frequenza che migliora complessivamente i rendimenti, rendendoli accettabili.

Le lame o pale eoliche possono essere una, due, tre nella maggior parte dei casi, quattro o più di quattro in modelli particolari. Il complesso si chiama rotore.
Sono lambite dal vento e sono progettate per lavorare per la maggior parte con una forza di portanza, contrariamente a quello che si pensa di resistenza. Un pò come avviene nelle ali di un aereo, per intenderci, ed il motivo risiede nella maggior efficenza di trasformazione in energia meccanica.
La maggior parte sono costruite in vetroresina per essere il più leggere possibile, e nonostante questo possono arrivare a pesare diverse centinaia di kg, a volte anche qualche tonnellata nell'eolico di grande taglia (un esempio qui sotto). Esse sono cave e riempite di materiale espanso per migliorare la resistenza strutturale.

Le pale eoliche sono quasi sempre dotate di regolatore di pitch che regola l'incidenza della singola pala in funzione della velocità del vento per ottimizzare la trasformazione di energia eolica in energia meccanica, e quindi produzione elettrica.

La torre eolica, autoportante, è il sostegno di tonnellate di materiale che è la navicella.
Sono spesso in acciaio zincato a caldo per una migliore resistenza agli agenti corrosivi. A volte, ma non sempre, sono verniciate, e sono nei casi più grossi saldate sul posto; in casi più piccoli, tipicamente il minieolico, sono accoppiate mediante flange.
La torre eolica è spesso dotata di una porta di accesso alla base e di una scala interna, che permette di salire fino alla navicella per le operazioni di manutenzione, ma esistono casi in cui la scala di accesso è esterna, sopratutto in aereogeneratori più piccoli.

Le fondamenta, o basamento, che sostengono la torre sono sottoposte ad un carico statico notevole ed hanno due funzioni: la prima è quella di evitare l'affondamento della torre eolica nel terreno; la seconda è quella di evitare lo sbandieramento della stessa torre.
La torre eolica, infatti, è sottoposta a due forze: la prima di portanza durante il normale funzionamento, la seconda di un momento angolare sulla base dovuta alle pressioni del vento in casi particolari di raffiche.
Nonostante questa introduzione alle turbine si consiglia comunque di approfondire l'argomento su buoni testi sull'energia eolica, altrimenti potete contattarci a questo link per analisi preliminari, studi di fattibilità eolica e qualunque informazione generica.