L’origine del vento è da attribuire all’azione esercitata dal Sole sulla Terra. Quando, infatti, per effetto delle radiazioni, una zona si riscalda più delle aree circostanti, l’aria ad essa sovrastante si dilata, diviene più leggera e la pressione localmente diminuisce; dalle zone vicine allora convergono masse d’aria più fredde spinte dalla differenza di pressione. È questo moto di trasferimento che costituisce appunto il vento.

Da quanto detto emerge chiaramente che “il Sole rappresenta la fonte primaria dell’energia del vento e circa il 2% dell’energia solare che raggiunge la Terra si trasforma in energia eolica”. Tale percentuale corrisponde a molte decine di volte gli attuali consumi energetici mondiali. Ovviamente non tutta questa potenzialità è utilizzabile dall’uomo; al massimo le prossime tecnologie consentiranno realisticamente di concentrare l’attenzione sull’energia contenuta nei primi 100 m di atmosfera e su venti di una certa velocità e frequenza. (1)

La macchina eolica è quindi capace di produrre un certo quantitativo di energia, ciò in base ad un fattore rilevante ovvero la quantità di vento che la stessa riesce ad immagazzinare; la potenza accumulabile dal generatore eolico è direttamente proporzionale alla velocità del vento, alla densità dell’aria e all’area spazzata dalle pale. In campo eolico vige la legge del cubo, secondo cui, in un dato istante, la potenza del vento è proporzionale al cubo della sua velocità. In altri termini ciò significa che se la velocità del vento raddoppia la potenza di un generatore accresce di otto volte, parimenti se la velocità si dimezza, la potenza sarà 8 volte inferiore. (2)

Questo principio si applica a tutti i tipi di macchine eoliche siano o meno dei generatori elettrici. Gli studi di Betz hanno dimostrato, che una turbina ideale ad asse orizzontale, al massimo può convertire il 59% dell'energia cinetica posseduta dal vento, tale valore diminuisce considerando le perdite dissipative dovute alla viscosità del fluido. La potenza elettrica generata è quindi:

Pv = r/2 Cp h Av3

Dove:
P = potenza espressa in Watt
r = densità della massa d'aria espressa in kg/m3
Cp = coefficiente di potenza massimo di una turbina ideale ad asse orizzontale, pari a 16/27 = 0.593
h = Efficienza meccanica ed elettrica della turbina
A = Area circolare spazzata dalle pale del rotore ed attraversata dalla massa d'aria espressa in mq
v = Velocità della massa d'aria indisturbata, prima del passaggio attraverso le pale, espressa in m/s

La potenza Pv è direttamente proporzionale, quindi, all’area spazzata dalle pale ed al cubo della velocità del vento. Calcolare con precisione la velocità del vento è rilevante ai fini statistici, una minima variazione determina potenze molto differenti. Questa peculiarità rende evidente l’importanza di un’oculata scelta dei siti in cui collocare gli aerogeneratori e quindi la relativa necessità di operare al fine di sviluppare una mappa dei siti eolici prima di impiantare le fattorie del vento.

In Italia, in base ai dati anemometrici forniti dalle postazioni dell’aeronautica militare e studi condotti dal CNR in collaborazione con l’ENEL, l’Aeritalia e la FIAT Engeneering, è stata calcolata una potenzialità eolica capace di fornire annualmente più di un milione di GWh, cifra più elevata dei consumi elettrici nazionali. Per altri paesi le potenzialità sono anche molto maggiori. Si tratta perciò di grandezze del massimo significato che hanno portato molti paesi a sviluppare programmi di tutto interesse.

La figura 2.1 mostra la cosiddetta curva di potenza, la quale tiene in considerazione la quantità di ore sviluppabile ad una certa velocità del vento; tale analisi viene fornita direttamente dal costruttore, il quale informa anche sulle condizioni atmosferiche (temperatura, pressione ed umidità).

Sulla curva s’individuano due velocità critiche (cut in e cut out):

• Di sotto ad una determinata velocità minima del vento, detta cut in, l'aerogeneratore non eroga energia elettrica e il rotore resta fermo. Questa soglia minima è generalmente posta ad una velocità del vento di 3 metri il secondo.
• Esiste anche una soglia massima, detta cut out, oltre il quale il rotore dell'aerogeneratore smette di girare per evitare danni alla turbina. La potenza del vento superiore a 25 metri il secondo è tipicamente un buon confine di cut out

In Italia, ad esempio, si calcola che mediamente la produzione di una “buona” centrale eolica è pari a circa 2.000 ore di potenza nominale l’anno. Ciò vuol dire che una centrale da 10 MW produce ogni anno circa 20.000 MWh.

Per riuscire a determinare la macchina eolica più adatta al sito prescelto si parte dall'analisi anemometrica del sito. Si realizza installando un anemometro e si misura per 1-2 anni, l'intensità e la direzione del vento.

Attraverso il diagramma di potenza fornito dal costruttore dell'aerogeneratore e per mezzo della curva di distribuzione di probabilità della velocità del vento si ricava l'energia producibile.

Permettendo così all'installatore di fare delle analisi economiche di fattibilità.(3)

Figura 2.1: Curva di potenza (3)

Un’analisi meno oggettiva, la quale si basa su dati empirici, può essere fatta tramite la scala Beaufort (tabella 2.1); essa un metodo che classifica i fenomeni naturali basandosi sull’osservazione degli effetti. La scala Beaufort analizza la forza del vento basandosi sullo stato del mare (riferendosi al mare aperto) ed alle condizioni delle onde.

Tabella 2.1: Scala Beaufort della forza del vento (4)

Lo sfruttamento dell’energia cinetica del vento risale ad epoche a noi lontane tanto che tale fonte può ben essere considerata insieme a quella idraulica la prima origine non animale utilizzata dall’uomo per ottenere energia meccanica.