L’Energia del vento

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Nelle sue componenti fondamentali un generatore eolico di energia elettrica è costituito da un’elica con varie pale, il cui mozzo è accoppiato a una trasmissione meccanica che comanda un generatore elettrico, il tutto alloggiato in un involucro detto “navicella”, che viene sorretto da un pilone. Passiamo in rassegna gli elementi principali che costituiscono il sistema.

L’elemento fondamentale

L’elica è un elemento di fondamentale importanza in quanto ha il compito di trasformare l’energia cinetica del vento in energia meccanica di rotazione dell’albero di ingresso della trasmissione; le caratteristiche costruttive possono variare in modo considerevole a seconda dei tipi, principalmente però esistono le eliche a una, a due oppure a tre pale (figura 1); quest’ultimo (tipo “danese”) si sta imponendo sugli altri in quanto a diffusione per il fatto che tre pale simmetriche presentano un comportamento dinamico migliore essendo in un certo qual modo assimilabili, a livello di inerzia, a un disco rotante, mentre nel caso di due pale esse risultano sì bilanciate, ma presentano una dinamica meno favorevole; il tipo con una sola pala, infine, richiede un contrappeso per il bilanciamento ed è perciò la soluzione meno raffinata dal punto di vista dinamico. Come è ovvio d’altro canto, il numero inferiore di pale comporta un risparmio: i tipi maggiormente diffusi sono quelli a due oppure tre pale. L’elica è caratterizzata da uno speciale profilo che ricorda molto da vicino i profili alari di uso aeronautico; l’elica infatti, investita dal flusso d’aria in direzione ad essa perpendicolare, genera una forza detta “portanza” che ne causa la rotazione (per la trattazione dettagliata si rimanda ai testi di aerodinamica); l’elica è perciò un elemento fondamentale e viene realizzata in materiali come la fibra di vetro o simili, anche se è stato impiegato in passato anche l’alluminio e il legno.

Moltiplicatore di giri

Il moltiplicatore di giri (figura 2) ha il compito di aumentare la velocità di rotazione dell’albero delle eliche che tipicamente presenta un valore compreso tra n = 30 – 60 giri/minuto ed è quindi relativamente lento, mentre per generare efficacemente energia elettrica al generatore occorre avere circa n = 1500 giri/min (ad esempio nel caso di macchina trifase asincrona a 4 poli). Il moltiplicatore è un organo di trasmissione a ingranaggi, solitamente ad assi paralleli, avente due oppure tre coppie di ingranaggi lubrificati a olio. Esso trasforma l’energia meccanica avente coppia elevata e velocità bassa proveniente dall’elica in energia meccanica avente coppia bassa e velocità elevata, a meno di una piccola perdita che dipende dal valore del rendimento del moltiplicatore stesso. Generalmente, se questo organo meccanico è di buona qualità, può raggiungere anche valori di rendimento del 94 – 96% a seconda anche del numero degli stadi di riduzione.

Generatori elettrici

Di generatori elettrici ne esistono di vari tipi, ad esempio trifase sincroni oppure asincroni; essi hanno il compito di trasformare l’energia meccanica di rotazione del rotore in energia elettrica, a meno di una certa perdita dovuta ai rendimenti meccanico ed elettrico della macchina stessa. Occorre ricordare che, secondo la Legge di Betz, è possibile convertire al massimo il 59% dell’energia cinetica eolica totale in energia meccanica della turbina, naturalmente in condizioni ottimali. Inoltre come si è detto, la potenza erogata dall’aerogeneratore è influenzata, oltre che dal rendimento elettrico e meccanico del generatore, anche dai rendimenti meccanici globali dei diversi organi di trasmissione del moto facenti parte del sistema, anche se essi possono avere valori piuttosto elevati, come ad esempio nel caso del moltiplicatore di giri. Il massimo rendimento di una tipica turbina eolica del tipo con elica a tre pale si ha per valori di velocità del vento intorno a v = 9 ÷10 m/s circa.

Apparecchiatura elettrica

L’apparecchiatura elettrica ha diverse funzioni, in primis gestisce la trasformazione dell’energia meccanica in elettrica, l’orientamento ottimale dell’elica, controlla il sistema idraulico che limita la velocità di rotazione dell’elica vale a dire il freno aerodinamico e il freno meccanico; in secundis l’apparecchiatura ha lo scopo di controllare e sorvegliare che le caratteristiche dell’elettricità immessa nella rete elettrica siano corrette, ad esempio dal punto di vista della tensione e della frequenza. Per evitare sbalzi o picchi di tensione al momento dell’inserzione o della disinserzione della turbina eolica è necessario utilizzare, tra l’altro, speciali elementi elettronici semiconduttori, detti “tiristori”, che hanno la funzione di “interruttori” con la rete elettrica esterna. I tiristori necessitano durante il loro funzionamento di un sistema di dissipazione del calore generato: ciò avviene grazie a speciali corpi raffreddanti e a ventilatori elettrici che soffiano aria sulla loro superficie.

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