L’energia elettrica prodotta da fonte eolica si genera mediante macchine, ovvero aerogeneratori, che convertono l’energia del vento in energia meccanica, in modo analogo a qualunque altra turbina.

S’intende per sistema eolico un insieme di componenti – fluidi, meccanici ed elettrici – integrati che hanno la funzione di convertire l’energia del vento in altra forma direttamente utilizzabile (elettrica, meccanica, idraulica); il vento va considerato parte integrante del sistema. (8)

2.2.1. Classificazione delle macchine e degli impianti

Una tipica macchina eolica, al di là delle particolarità dei modelli e degli sviluppi tecnologici apportati in modo differenziato da alcune aziende costruttrici, è composta dalle pale della macchina (comunemente in numero da uno a tre) che sono fissate su di un mozzo e che, nell’insieme, costituiscono il rotore (figura 2.3).

Il mozzo, a sua volta, è poi collegato ad un primo albero - albero lento - che ruota alla stessa velocità angolare del rotore e, dopo il collegamento ad un moltiplicatore di giri, si diparte un albero veloce che ruota invece con velocità angolare data dal prodotto di quella del primo albero per il moltiplicatore di giri. Sull’albero veloce è poi posizionato un freno, a valle del quale si trova il generatore elettrico, da cui si dipartono i cavi elettrici di potenza. (9)

Tutti questi elementi sono ubicati in una cabina detta navicella o gondola la quale a sua volta è posizionata su di un supporto-cuscinetto, orientabile in base alla direzione del vento.

La navicella è poi completata da un sistema di controllo di potenza e da uno di controllo dell’imbardata. Il primo ha il duplice scopo di regolare la potenza in funzione della velocità del vento istantanea, così da far funzionare la turbina il più possibile vicino alla sua potenza nominale, e di interrompere il funzionamento della macchina in caso di vento eccessivo. Il secondo invece consiste in un controllo continuo del parallelismo tra l’asse della macchina e la direzione del vento.

Figura 2.3: Schema di un aerogeneratore ad asse orizzontale (10)

 

L’intera navicella è poi posizionata su di una torre che può essere a traliccio o tubolare conica, ancorata al terreno tramite un’opportuna fondazione in calcestruzzo armato.

Gli aspetti caratteristici che differenziano una tipologia di macchina da un’altra, indipendentemente dalla taglia di potenza e quindi di dimensione, sono i seguenti:

􀂃 sistema di controllo della potenza: a passo o a stallo

􀂃 velocità del rotore: costante o variabile

􀂃 presenza o assenza del moltiplicatore di giri

 

Dal punto di vista delle tipologie d’impiego, le turbine eoliche possono attualmente essere raggruppate in due grandi categorie:

• Le macchine per la produzione di energia elettrica da immettere in rete: sono di solito anche quelle di maggiore potenza (da circa 600 kW fino a circa due MW) e che hanno contribuito maggiormente allo sviluppo del settore eolico a livello mondiale. Il loro impiego prevalente è la realizzazione d’impianti a terra o a mare (impianti off-shore), costituiti da più macchine (in genere 10-20 in Italia) e collegati alla rete di media-alta tensione.
• Le macchine per la produzione di energia per autoproduzione: sono mediamente più piccole (di solito la potenza massima è di circa 100-200 kW) e possono essere utilizzate in integrazione con altre fonti primarie di energia (generatori diesel, sistemi fotovoltaici, etc.) o con una qualche forma di accumulo energetico (accumulatori elettrici o sistemi idraulici), oppure, grazie alla recente evoluzione normativa, possono operare con lo scambio sul posto dell'energia prodotta.

In relazione alla tipologia della macchina, le turbine eoliche possono essere classificate in funzione di diversi parametri, come la disposizione dell’asse (orizzontale o verticale), la taglia di potenza, il numero di pale, il tipo di energia prodotta.

In relazione a quest’ultimo aspetto, si parla più propriamente di aeromotori quando la catena cinematica collegata al rotore eolico viene impiegata direttamente per azionare una macchina operatrice, come per esempio una pompa per acqua. Le macchine che azionano invece un generatore elettrico sono più propriamente indicate come aerogeneratori e sono attualmente quelle più diffuse. In relazione alla posizione dell’asse, la grande maggioranza delle moderne turbine eoliche è costituita da macchine ad asse orizzontale.

In relazione alla taglia delle macchine, si può distinguere fra macchine di piccola taglia (minieolico), costituite da turbine con potenza fino a circa 200 kW o diametro del rotore fino a circa 20 metri, macchine di media taglia, costituite da turbine con potenza fino a circa 800 kW e diametro rotorico fino a circa 50 metri ed infine macchine di grande taglia, con potenza superiore a circa 800 – 1000 kW e diametro rotorico superiore a 50 - 55 metri.

L’aerogeneratore è composto dai seguenti componenti:

• Rotore
• Moltiplicatore di giri
• Generatore elettrico
• Sistema di controllo
• Supporto cuscinetto
• Anemometro
• Torre
• Trasformatore

Rotore

Esistono sostanzialmente due tipi di aerogeneratori:

a) ad asse orizzontale, quando l'asse del rotore è parallelo alla direzione del vento e le pale ruotano perpendicolarmente ad esso. Nella figura 2.4 le principali tipologie di rotori ad asse orizzontale.

Figura 2.4: Tipologie di rotori ad asse orizzontale (2. Sitografia)

• Turbina ad elica: la pala dell'elica offre una resistenza minima all'avanzamento, non crea turbolenze pericolose, ha una portanza elevata: tutto ciò si traduce in un alto coefficiente di potenza e in velocità di rotazione molto alte. L'elica, per avere un rendimento costante ed elevato, deve sempre potersi orientare nel vento. I metodi utilizzati sono due: elica controvento o elica sottovento (figura 2.5).

Figura 2.5: Turbina sottovento o sopravento (10)

• Turbina multipala: La figura 2.6 mostra una Turbina Multipala il cui rotore è costituito da un alto numero di pale in lamiera metallica (18 o più), disposte a raggiera su un mozzo e ad angolo rispetto al piano di rotazione, come una grande ventola. Il diametro medio è di circa 1.5-3 metri.

Figura 2.6: Turbina multipala (10)

• Mulino cretese: La figura successiva (Figura 2.7) mostra una tipologia semplice, economica e sicura. Il rotore è costituito da otto o più braccia, tra le quali vengono tesi dei triangoli di stoffa. La superficie di questi ultimi può essere aumentata o ridotta secondo l’intensità del vento.

Figura 2.7: Mulino Cretese (10)

b) ad asse verticale, quando il rotore è perpendicolare alla direzione del vento (simile, cioè, al sistema di coppette utilizzato in meteorologia per misurare la velocità del vento.)

Le turbine ad asse verticale sono, alle attuali conoscenze, le più antiche concepite dall'uomo, si utilizzavano in Mesopotamia fin dall'inizio delle civiltà soprattutto per irrigazione.

Negli ultimi anni stanno risvegliando l’interesse di alcune aziende e gruppi di ricercatori. I principali vantaggi dell’asse verticale sono:

• Il costante funzionamento indipendentemente dalla direzione del vento,
• La migliore resistenza anche alle alte velocità dei venti e alla loro turbolenza.

Vediamo i principali tipi:

• Rotore windside: aerogeneratore ad asse verticale proposto dalla società finlandese Winside (Figura 2.8), con rendimenti superiori del 30-50% rispetto alla tecnologia tradizionale.

Figura 2.8: Rotore Winside (10)

Aerogeneratore W.M.: impianto ad asse verticale con un’originale soluzione per attenuare la resistenza nell’azione controvento adottando delle semipale mobili che si aprono nella fase passiva e si presentano chiuse nella fase attiva. (Figura 2.9) Figura 2.9: Aerogeneratore W. M. (10)

• Turbina Darrieus: turbina (2.10) con forma a fuso o con configurazione ad H. Il regime di rotazione è molto elevato, mentre la coppia di spunto è molto bassa e non permette a questa macchina di avviarsi spontaneamente.
  

Figura 2.10: Turbina Darrieus a fuso ed a H (10)

• Turbina Kobold: altro sistema innovativo è la turbina ad asse verticale "Kobold" (2.11), derivata da una variante delle turbine Darrieus ma con un sistema a pale mobili per minimizzare la resistenza nella fase passiva. Tale sistema è impiegato nel progetto sperimentale di centrale mareomotrice nel golfo di Messina.

Figura 2.11: Turbina Kobold (10)

• Rotore Savonius: La figura 2.12 rappresenta il più semplice degli aerogeneratori ad asse verticale, la sua semplicità concettuale lo rende particolarmente adatto all'autocostruzione. Può essere abbinato a un rotore Darrieus. Ha il vantaggio di avere una forte coppia di spunto, che gli consente di avviarsi anche con vento debole, mentre è poco adatta ai venti forti.

 

Figura 2.12: Rotore Savonius (10)

 

Moltiplicatore di giri

Il moltiplicatore di giri (Figura 2.13) 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.

Generalmente, se quest’organo meccanico è di buona qualità, può raggiungere anche valori di rendimento del 94 - 96% a seconda anche del numero degli stadi di riduzione.

 

 

Figura 2.13: Moltiplicatore di giri (10)

Generatore elettrico

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 meccanici ed elettrici della macchina stessa.

Figura 2.14: Esempio di generatore elettrico (10)

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.

 

Sistemi di controllo

Il funzionamento di un aerogeneratore è gestito da un sistema di controllo (Figura 2.15) che svolge due diverse funzioni. Gestisce, automaticamente e non, l’aerogeneratore nelle diverse operazioni di lavoro e aziona il dispositivo di sicurezza che blocca il funzionamento dell’aerogeneratore in caso di malfunzionamento e di sovraccarico dovuto ad eccessiva velocità del vento.

Figura 2.15: Esempio di sistema di controllo (10)

Apparecchiatura elettrica

L'apparecchiatura elettrica ha diverse funzioni, innanzitutto 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; successivamente 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 “interruttore” 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.

Dispositivi di sicurezza

Esistono diversi dispositivi che salvaguardano la sicurezza delle turbine eoliche dal pericolo costituito da venti eccessivamente forti; principalmente, essi prevedono l’uso di due tipi di freni, il freno aerodinamico e il freno meccanico.

Il primo tipo, ossia il freno aerodinamico, è costituito da un sistema comandato mediante un circuito idraulico che, nel caso di velocità del vento eccessive, causa la rotazione di 90 gradi sul proprio asse delle estremità dell’elica in modo tale da ridurne in modo decisivo la portanza; una volta scomparso il pericolo, le estremità dell’elica vengono automaticamente riportate nella posizione normale.

Il secondo tipo, ossia il freno meccanico, consta di un freno a disco montato sull’albero veloce del moltiplicatore di giri, che viene utilizzato soprattutto come freno di stazionamento in caso di manutenzione, in ogni caso costituisce una sicurezza aggiuntiva.

L’eccessiva velocità di rotazione della turbina oppure altri fenomeni potrebbero causare l’insorgere di vibrazioni in tutta la struttura perciò, per evitare che vibrazioni eccessive danneggino il sistema, viene utilizzato uno speciale interruttore costituito da una sfera metallica appoggiata su un anello e collegata all’interruttore mediante una catenella: se le vibrazioni superano un determinato valore, la sfera cade dal suo sostegno “aprendo” il circuito elettrico di sicurezza che causa l’arresto della turbina.

 

Un telecomando per le pale eoliche

La tecnologia ha sempre la meglio, tanto che negli ultimi anni sempre più società e gruppi di ricerca sviluppano tecniche e sistemi per migliorare l’attività eolica, la produzione e la sicurezza. Il 2 febbraio 2009 la società Energias de Portugal (EdP) ha rilasciato una dichiarazione affermando di aver realizzato un progetto secondo il quale si avrebbe nel breve futuro un controllo maggiore sull’impianto e sulla sua efficienza. Sostanzialmente, questa piattaforma di gestione e controllo del parco eolico consentirà a EdP di gestire circa 1.000 generatori distribuiti su 48 parchi eolici nella Penisola Iberica.

Il progetto, da 2,5 milioni di dollari, è stato avviato alla fine nel 2006 per consentire a EdP per prevedere in modo più accurato l’erogazione di energia eolica e, quindi, consentire un migliore bilanciamento fra generazione e offerta energetica. Per migliorare il rendimento, la piattaforma può tenere conto delle previsioni meteo permette a EdP di monitorare le informazioni storiche e di correlarle alla domanda energetica futura. Un sistema separato di telecontrollo in tempo reale consente agli operatori di agire sulla base dei dati previsionali, garantendo che la produzione di energia rimanga costante. Il risultato: aumento dei ricavi dell’attività di generazione, diminuzione delle penali per mancato rispetto degli obblighi di riduzione del consumo energetico e, in generale, una maggiore affidabilità dell’erogazione energetica e della rete.

Tenendo conto che in Europa esistono già 25.000 parchi eolici e che la capacità della turbina eolica raddoppierà nel giro di circa cinque anni, si può affermare che esistono ottime opportunità per un’estesa implementazione del sistema(12).

Dispositivi ausiliari

Il vento, infine, potrebbe variare la propria direzione; ciò potrebbe benissimo accadere e nessuna previsione statistica effettuata in base alla “rosa dei venti” potrebbe garantire l’orientamento ottimale delle eliche.

Per questo motivo quindi la “navicella” che alloggia la turbina e sopporta l’albero dell’elica ha la possibilità di ruotare su un asse perpendicolare al suolo: la rotazione (“imbardata”) viene comandata da gruppi motoriduttori, che ruotano in base ai dati provenienti dall’anemometro posto sulla sommità della navicella. La figura 2.16, invece, mostra uno spaccato della turbina eolica.

Figura 2.16: Spaccato di una turbina eolica (10)