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Cosa sono le TURBINE EOLICHE e come producono l’elettricità? Energia eolica - Componenti – Incidenti
Cosa sono le TURBINE EOLICHE e come producono l’elettricità? Energia eolica - Componenti – Incidenti
Le turbine eoliche sono dei dispositivi in grado di trasformare l’energia eolica da energia MECCANICA a energia ELETTRICA.
Possiamo definire in modo semplicistico il vento come uno spostamento di masse d’aria causato da una differenza di pressione atmosferica tra diverse aree geografiche nel pianeta.
Nell’atmosfera infatti si possono formare zone di bassa pressione e di alta pressione. Quando le masse d’aria si spostano da una zona di alta pressione a una zona di bassa pressione, ecco che si formano i venti.
Possiamo definire invece l’energia eolica come il processo attraverso il quale il vento viene utilizzato per generare energia meccanica o elettricità.
Fin dalle origini della civiltà l’uomo ha sempre sfruttato l’energia del vento: dalla semplice navigazione a vela, alla macinazione del grano attraverso i mulini a vento, fino ad arrivare alla vera e propria produzione di energia elettrica attraverso gli aerogeneratori, detti anche turbine eoliche.
Esistono varie tipologie di turbine eoliche di diverse dimensioni.
In questo video ci concentreremo sulle più diffuse turbine ad asse orizzontale:
- Scopriremo quali sono i principali componenti che costituiscono questa particolare tipologia di turbina eolica.
- Cercheremo di capire come questi dispositivi sono in grado di trasformare l’energia del vento in corrente elettrica.
- Vedremo perché i maggiori impianti eolici utilizzano la turbine a 3 eliche, attraverso l’osservazione della struttura delle loro pale.
- E vedremo anche quali sono le principali cause di incidenti che possono verificarsi durante l’utilizzo di questi dispositivi.
Le prime turbine eoliche sono state costruite verso la fine del diciannovesimo secolo con l’obbiettivo di fornire l’elettricità a piccoli villaggi isolati.
Negli anni successivi, il progressivo perfezionamento strutturale e tecnologico di questi dispositivi, ha permesso la creazione di veri e propri parchi eolici interamente dedicati alla produzione di energia elettrica.
Oggigiorno esistono circa 26 aziende nel mondo che si occupano della produzione di aerogeneratori.
Aziende americane, cinesi, danesi, tedesche, spagnole, come: Vestas, Enercon, Siemens, e molte altre…
JAES, oltre ad essere il partner di riferimento per alcune di queste aziende, è costantemente impegnata nella fornitura di tutta la componentistica necessaria alla produzione, all’assemblaggio, alla manutenzione e all’installazione delle turbine eoliche.
Come abbiamo accennato all’inizio, le turbine eoliche trasformano l’energia meccanica in energia elettrica. L’energia del vento catturata dalla pale eoliche infatti viene trasferita tramite un albero meccanico ad un generatore.
Il generatore trasforma l’energia di rotazione in energia elettrica, questa a sua volta viene trasferita in un trasformatore posto solitamente ai piedi della torre eolica. Il trasformatore ha il compito di convertire l’elettricità in alta tensione e di immetterla successivamente nella rete elettrica di trasmissione.
Ma diamo un’occhiata ai vari componenti che costituiscono una turbina eolica:
Questa è la TORRE DI SOSTEGNO, essa rappresenta la struttura portante della turbina eolica e ha la funzione di assorbire le vibrazioni generate dal moto rotatorio delle eliche.
Queste sono le ELICHE che si sollevano ed iniziano a ruotare quando vengono colpite dal vento, causando la rotazione del rotore.
Il ROTORE è costituito dal gruppo di eliche rotanti, dal perno rotante detto anche mozzo, dall’albero e dal meccanismo del pitch control, ovvero un sistema che ha la funzione di regolare la posizione e l’inclinazione delle pale rispetto al vento e di bloccare la rotazione del rotore qualora il vento sia troppo forte, o troppo debole.
La NAVICELLA o GONDOLA invece rappresenta il cuore della turbina eolica. Al suo interno ospita il moltiplicatore di giri, il sistema frenante e il generatore, ma anche gli attuatori del pitch control e i drive per il controllo dell’imbardata, ovvero la rotazione della turbina intorno al proprio asse verticale, indispensabile per posizionare il rotore secondo la direzione del vento.
Possiamo definire in modo semplicistico il vento come uno spostamento di masse d’aria causato da una differenza di pressione atmosferica tra diverse aree geografiche nel pianeta.
Nell’atmosfera infatti si possono formare zone di bassa pressione e di alta pressione. Quando le masse d’aria si spostano da una zona di alta pressione a una zona di bassa pressione, ecco che si formano i venti.
Possiamo definire invece l’energia eolica come il processo attraverso il quale il vento viene utilizzato per generare energia meccanica o elettricità.
Fin dalle origini della civiltà l’uomo ha sempre sfruttato l’energia del vento: dalla semplice navigazione a vela, alla macinazione del grano attraverso i mulini a vento, fino ad arrivare alla vera e propria produzione di energia elettrica attraverso gli aerogeneratori, detti anche turbine eoliche.
Esistono varie tipologie di turbine eoliche di diverse dimensioni.
In questo video ci concentreremo sulle più diffuse turbine ad asse orizzontale:
- Scopriremo quali sono i principali componenti che costituiscono questa particolare tipologia di turbina eolica.
- Cercheremo di capire come questi dispositivi sono in grado di trasformare l’energia del vento in corrente elettrica.
- Vedremo perché i maggiori impianti eolici utilizzano la turbine a 3 eliche, attraverso l’osservazione della struttura delle loro pale.
- E vedremo anche quali sono le principali cause di incidenti che possono verificarsi durante l’utilizzo di questi dispositivi.
Le prime turbine eoliche sono state costruite verso la fine del diciannovesimo secolo con l’obbiettivo di fornire l’elettricità a piccoli villaggi isolati.
Negli anni successivi, il progressivo perfezionamento strutturale e tecnologico di questi dispositivi, ha permesso la creazione di veri e propri parchi eolici interamente dedicati alla produzione di energia elettrica.
Oggigiorno esistono circa 26 aziende nel mondo che si occupano della produzione di aerogeneratori.
Aziende americane, cinesi, danesi, tedesche, spagnole, come: Vestas, Enercon, Siemens, e molte altre…
JAES, oltre ad essere il partner di riferimento per alcune di queste aziende, è costantemente impegnata nella fornitura di tutta la componentistica necessaria alla produzione, all’assemblaggio, alla manutenzione e all’installazione delle turbine eoliche.
Come abbiamo accennato all’inizio, le turbine eoliche trasformano l’energia meccanica in energia elettrica. L’energia del vento catturata dalla pale eoliche infatti viene trasferita tramite un albero meccanico ad un generatore.
Il generatore trasforma l’energia di rotazione in energia elettrica, questa a sua volta viene trasferita in un trasformatore posto solitamente ai piedi della torre eolica. Il trasformatore ha il compito di convertire l’elettricità in alta tensione e di immetterla successivamente nella rete elettrica di trasmissione.
Ma diamo un’occhiata ai vari componenti che costituiscono una turbina eolica:
Questa è la TORRE DI SOSTEGNO, essa rappresenta la struttura portante della turbina eolica e ha la funzione di assorbire le vibrazioni generate dal moto rotatorio delle eliche.
Queste sono le ELICHE che si sollevano ed iniziano a ruotare quando vengono colpite dal vento, causando la rotazione del rotore.
Il ROTORE è costituito dal gruppo di eliche rotanti, dal perno rotante detto anche mozzo, dall’albero e dal meccanismo del pitch control, ovvero un sistema che ha la funzione di regolare la posizione e l’inclinazione delle pale rispetto al vento e di bloccare la rotazione del rotore qualora il vento sia troppo forte, o troppo debole.
La NAVICELLA o GONDOLA invece rappresenta il cuore della turbina eolica. Al suo interno ospita il moltiplicatore di giri, il sistema frenante e il generatore, ma anche gli attuatori del pitch control e i drive per il controllo dell’imbardata, ovvero la rotazione della turbina intorno al proprio asse verticale, indispensabile per posizionare il rotore secondo la direzione del vento.
Un sensore di velocità posizionato sulla parte posteriore della turbina infatti rileva costantemente la direzione del vento. Ogni qual volta vi è un cambio di direzione del vento il sensore invia un segnale ai drive per il controllo dell’imbardata che provvedono a ruotare l’intera navicella e di conseguenza il rotore e le eliche della turbina a favore del vento.
Ma vediamo ora nel dettaglio cosa succede quando la turbina eolica entra in azione:
Le pale iniziano a muoversi quando il vento raggiunge la velocità minima di avvio (in inglese cut-in wind speed).
Il rotore è collegato ad un albero di trasmissione, che ruota all’interno della navicella.
L’energia di rotazione dell’albero di trasmissione viene così trasformata in energia elettrica dal generatore. Un generatore infatti è un dispositivo che utilizza le proprietà di induzione elettromagnetica per produrre tensione elettrica.
Nelle turbine eoliche di grandi dimensioni, rotore e generatore elettrico sono solitamente associati ad un moltiplicatore di giri che ha lo scopo di aumentare la velocità di rotazione del rotore, garantendo la corretta alimentazione del generatore anche in caso di una lenta rotazione delle pale.
La maggior parte degli impianti eolici, sono dotati anche di un inverter che trasforma la corrente continua in corrente alternata a 220 Volt, rendendola adatta per l’immissione in rete o per l’autoconsumo.
Se la velocità del vento aumenta, vi è un progressivo aumento della potenza istantanea erogata dalla turbina, fino al raggiungimento della velocità nominale (in inglese rated wind speed), cioè della velocità del vento nella quale il generatore raggiunge la potenza nominale.
Il picco di potenza erogata rimane costante fino alla soglia massima (in inglese cut-out wind speed) di velocità del vento tollerata dalla turbina. Oltre questa soglia, il generatore smette di produrre energia e si mette in sicurezza, ricorrendo a sistemi attivi o passivi di protezione, al fine di evitare danni alle componenti meccaniche.
Abbiamo detto che le eliche della turbina iniziano a muoversi quando vengono colpite dal vento. Se osserviamo attentamente la loro struttura, possiamo infatti notare che esse hanno molte sezioni di forma e misura diversa.
La loro forma a goccia ricorda l’aerodinamica dell’ala dell’aereo, trattata in modo approfondito nel nostro precedente video. In quel caso , il flusso d’aria investiva l’ala seguendo precise traiettorie consentendo alle molecole della superfice inferiore di avere una densità maggiore rispetto a quelle della superfice superiore. La differenza di pressione tra le due parti causava il sollevamento verso l’alto dell’ala e di conseguenza di tutto il velivolo.
Anche in questo caso la dinamica di sollevamento dell’elica della turbina è molto simile.
Grazie al meccanismo del pitch control, la pala della turbina eolica viene posizionata in modo inclinato per allinearsi sempre con il flusso d’aria. Quando la velocità della pala aumenta, la traiettoria del vento diventa maggiormente inclinata verso la punta dell’elica. Ciò significa che l’elica subisce continuamente una torsione dalla base alla punta. (da minuto 1:24 video learning engineering)
Osservando il principio di funzionamento delle turbine eoliche si è forse portati a credere che una turbina dotata di molte più eliche sia più potente rispetto ad una con tre, due o addirittura una sola elica.
Questa conclusione in parte è vera, più pale permettono di estrarre una maggiore potenza, ma allo stesso tempo aumenta il disturbo reciproco che le pale si arrecano, a causa della scia turbolenta che si lasciano dietro. Questo provoca una riduzione della spinta sulle eliche. Quindi un rotore con molte pale sarà PIÙ POTENTE ma MENO EFFICIENTE di un rotore con poche pale.
Una turbina eolica con 3 eliche poste a 120 gradi le une dalle altre, rappresenta il giusto compromesso tra POTENZA ed EFFICIENZA. Una turbina con 4 eliche significa maggior peso e quindi maggior costo. Stessa cosa per la turbina con 2 eliche, che pur ottenendo performance simili richiederebbe un aumento delle dimensioni strutturali e quindi, costi maggiori.
Abbiamo visto che la progettazione e realizzazione di una turbina eolica comporta una serie di scelte strutturali che non sono direttamente legate alla POTENZA, ma tengono anche conto di fattori come: costi, interventi di manutenzione, inquinamento acustico, impatto paesaggistico e molti altri.
La MANUTENZIONE rappresenta tutt’ora un elemento fondamentale per il corretto funzionamento di questi dispositivi. Gli aerogeneratori purtroppo continuano ad essere afflitti da alcuni incidenti, che possono verificarsi se non si effettua una regolare attività di monitoraggio e manutenzione.
Le cause di questi incidenti si possono ricondurre principalmente a:
- condizioni metereologiche avverse
- incendi causati dal malfunzionamento dei componenti interni o del sistema di lubrificazione
- danni alle eliche della turbina, causati da fulmini o dall’impatto con oggetti estranei
Ma vediamo ora nel dettaglio cosa succede quando la turbina eolica entra in azione:
Le pale iniziano a muoversi quando il vento raggiunge la velocità minima di avvio (in inglese cut-in wind speed).
Il rotore è collegato ad un albero di trasmissione, che ruota all’interno della navicella.
L’energia di rotazione dell’albero di trasmissione viene così trasformata in energia elettrica dal generatore. Un generatore infatti è un dispositivo che utilizza le proprietà di induzione elettromagnetica per produrre tensione elettrica.
Nelle turbine eoliche di grandi dimensioni, rotore e generatore elettrico sono solitamente associati ad un moltiplicatore di giri che ha lo scopo di aumentare la velocità di rotazione del rotore, garantendo la corretta alimentazione del generatore anche in caso di una lenta rotazione delle pale.
La maggior parte degli impianti eolici, sono dotati anche di un inverter che trasforma la corrente continua in corrente alternata a 220 Volt, rendendola adatta per l’immissione in rete o per l’autoconsumo.
Se la velocità del vento aumenta, vi è un progressivo aumento della potenza istantanea erogata dalla turbina, fino al raggiungimento della velocità nominale (in inglese rated wind speed), cioè della velocità del vento nella quale il generatore raggiunge la potenza nominale.
Il picco di potenza erogata rimane costante fino alla soglia massima (in inglese cut-out wind speed) di velocità del vento tollerata dalla turbina. Oltre questa soglia, il generatore smette di produrre energia e si mette in sicurezza, ricorrendo a sistemi attivi o passivi di protezione, al fine di evitare danni alle componenti meccaniche.
Abbiamo detto che le eliche della turbina iniziano a muoversi quando vengono colpite dal vento. Se osserviamo attentamente la loro struttura, possiamo infatti notare che esse hanno molte sezioni di forma e misura diversa.
La loro forma a goccia ricorda l’aerodinamica dell’ala dell’aereo, trattata in modo approfondito nel nostro precedente video. In quel caso , il flusso d’aria investiva l’ala seguendo precise traiettorie consentendo alle molecole della superfice inferiore di avere una densità maggiore rispetto a quelle della superfice superiore. La differenza di pressione tra le due parti causava il sollevamento verso l’alto dell’ala e di conseguenza di tutto il velivolo.
Anche in questo caso la dinamica di sollevamento dell’elica della turbina è molto simile.
Grazie al meccanismo del pitch control, la pala della turbina eolica viene posizionata in modo inclinato per allinearsi sempre con il flusso d’aria. Quando la velocità della pala aumenta, la traiettoria del vento diventa maggiormente inclinata verso la punta dell’elica. Ciò significa che l’elica subisce continuamente una torsione dalla base alla punta. (da minuto 1:24 video learning engineering)
Osservando il principio di funzionamento delle turbine eoliche si è forse portati a credere che una turbina dotata di molte più eliche sia più potente rispetto ad una con tre, due o addirittura una sola elica.
Questa conclusione in parte è vera, più pale permettono di estrarre una maggiore potenza, ma allo stesso tempo aumenta il disturbo reciproco che le pale si arrecano, a causa della scia turbolenta che si lasciano dietro. Questo provoca una riduzione della spinta sulle eliche. Quindi un rotore con molte pale sarà PIÙ POTENTE ma MENO EFFICIENTE di un rotore con poche pale.
Una turbina eolica con 3 eliche poste a 120 gradi le une dalle altre, rappresenta il giusto compromesso tra POTENZA ed EFFICIENZA. Una turbina con 4 eliche significa maggior peso e quindi maggior costo. Stessa cosa per la turbina con 2 eliche, che pur ottenendo performance simili richiederebbe un aumento delle dimensioni strutturali e quindi, costi maggiori.
Abbiamo visto che la progettazione e realizzazione di una turbina eolica comporta una serie di scelte strutturali che non sono direttamente legate alla POTENZA, ma tengono anche conto di fattori come: costi, interventi di manutenzione, inquinamento acustico, impatto paesaggistico e molti altri.
La MANUTENZIONE rappresenta tutt’ora un elemento fondamentale per il corretto funzionamento di questi dispositivi. Gli aerogeneratori purtroppo continuano ad essere afflitti da alcuni incidenti, che possono verificarsi se non si effettua una regolare attività di monitoraggio e manutenzione.
Le cause di questi incidenti si possono ricondurre principalmente a:
- condizioni metereologiche avverse
- incendi causati dal malfunzionamento dei componenti interni o del sistema di lubrificazione
- danni alle eliche della turbina, causati da fulmini o dall’impatto con oggetti estranei