Come funziona una pala eolica

Come funziona una pala eolica: vi spieghiamo il funzionamento di un generatore eolico per la produzione di elettricità dal vento. Vantaggi e svantaggi degli aerogeneratori.

L’energia eolica pone le proprie radici nell’antichità. Già nel 3000 aC, i navigatori sfruttavano l’energia del vento per trasportare le proprie imbarcazioni ricche di vele che si spiegavano al vento.

Nell’antica Babilonia, nel 2000 aC, nacquero i primi mulini a vento, utilizzati per macinare grano per la produzione degli sfarinati.

Oggi, l’energia del vento, viene sfruttata per produrre elettricità grazie ai cosiddetti aerogeneratori; ma come funziona una pale eolica? Il meccanismo di funzionamento di una turbina eolica è molto semplice da comprendere, soprattutto perché esso è strettamente collegato alla struttura della Pala Eolica.

Come è fatta una pala eolica

La turbina eolica è composta da una pala rotante che rappresenta la “vela del sistema”, le pale agiscono come una barriera che si oppone al vento cosicché la potenza del vento costringerà le pale a ruotare con la genesi di energia cinetica (energia dettata dal movimento delle pale).

Le pale eoliche sono collegate a un rotore, a sua volta collegato al cosiddetto “Albero“, il rotore trasferisce l’energia meccanica (energia di rotazione) all’albero che la manda al generatore elettrico che è posizionato sull’altra estremità dell’albero.

Un generatore è un dispositivo che utilizza le proprietà di induzione elettromagnetica per produrre tensione elettrica (una differenza di carica elettrica).

Per comprendere meglio, è possibile paragonare la “tensione elettrica” alla “pressione”, ovvero ad una forza che muove l’elettricità da un punto all’altro. Il generatore è costituito da magneti e da un conduttore (un filo a spirale). Quando si dispone di un conduttore circondato da magneti e vi è una parte che sta esercitando un movimento rotatorio rispetto alle altre, si ha la genesi di una certa tensione nel conduttore.

In altre parole, quando il vento fa girare le pale del rotore, il rotore gira l’albero, l’albero a sua volta fa girare una struttura dei magneti trasferendo ancora una volta energia, a questo punto si genererà tensione nella bobina di filo (nel conduttore) che produrrà energia elettrica.

In una pala eolica possiamo mettere in evidenza un gran numero di componenti, i principali sono:

• Navicella
  costituisce il cuore pulsante della macchina, infatti raccoglie il generatore, i moltiplicatori di giri, i freni, gli attuatori del pitch control e del yaw control.
• Rotore
  è costituito dal gruppo di pale rotanti, dal mozzo, dall’albero e dal meccanismo del pitch control
• Torre di sostegno
  svolge un evidente ruolo strutturale sostenendo la macchina. Ha il compito di assorbire le vibrazioni generate dal moto delle pale.
• Sistemi di misura
  possono essere più o meno all’avanguardia. Captano la direzione del vento, dispongono di anemometri e altro. Sono montati sull’estremità superiore della navicella. Sulla parte più alta dell’intera turbina eolica. Il loro funzionamento serve a configurare correttamente l’intera macchina a seconda dell’intensità e della direzione del vento.
• Sistemi di controllo
  monitorano il corretto funzionamento della macchina e agiscono in caso di avaria mettendono in sicurezza l’intera struttura dell’aerogeneratore.
• Sistemi accessori
  ogni sviluppatore dispone dei suoi meccanismi opzionali. In genere consentono di ottimizzare l’uso dell’aerogeneratore con sistemi di telecontrollo (controllo e gestione in remoto della macchina), manutenzione automatica, montacarichi per ascensori per consentire l’accesso al personale…

Dal vento all’elettricità, ecco come

Essenzialmente il generatore trasforma l’energia di rotazione in energia elettrica mediante un gioco di trasferimento di energia da una struttura all’altra (dal vento alle pale –> rotore –> albero –> generatore). Questo appena descritto è il meccanismo di funzionamento legato alle strutture più semplici delle turbine eoliche, il progresso ha fatto nascere pale eoliche più complesse ma tutte possono essere ricondotte allo schema di trasferimento energetico che va dal vento alle pale  fino ad arrivare al generatore.

Energia eolica, ricerche

Le componenti descritte in precedenza, sono le basi che costituiscono un generatore eolico. E’ importante precisare che il settore dell’eolico è in continuo sviluppo. Le conoscenze aerodinamiche più all’avanguardia, la ricerca di nuovi materiali, l’introduzione di sistemi di controllo più sofisticati… rendono obsolete le pale eoliche sviluppate solo pochi anni fa. Le macchine progettate negli ultimi tempi vedono rotori che possono addirittura superare i 100 metri di diametro!

Come funziona una pala eolica

Come spiegato in precedenza, il principio di funzionamento alla base di una pala eolica è apparentemente semplice: la forza del vento mette in movimento una serie di pale che sono collegate a un perno centrale (mozzo o rotore). Il vento, soffiando, fa girare le pale che innescano un movimento rotatorio attorno all’asse del perno. Al mozzo sono collegati diversi dispositivi (freni, moltiplicatori…) che trasmettono il moto generato dalle pale in rotazione al generatore elettrico posto alla base dell’albero.

Al centro del funzionamento di una pala eolica c’è il suo generatore. Il generatore è l’organo elettromeccanico che consente di produrre elettricità a partire dal vento. In un primo momento, i generatori usati per la produzione di turbine eoliche erano di tipo sincrono. Oggi si impiegano esclusivamente generatori asincroni trifase. Come funziona un generatore di corrente eolico? Il generatore elettrico di una pala eolica funziona come qualsiasi altro generatore di una centrale elettrica.

All’aumentare della velocità del vento corrisponde un progressivo aumento della potenza istantanea erogata dalla macchina, fino al raggiungimento della velocità nominale (rated wind speed) che consente al generatore eolico di poter raggiungere la sua potenza massima (cut-out wind speed). Superata questa soglia, il generatore eolico attiva un meccanismo di sicurezza per il quale cessa di funzionare per evitare di compromettere la macchina.

Il generatore eolico funziona come un qualsiasi altro generatore di una centrale elettrica grazie al riduttore di giri. Il riduttore di giri ovvia al problema della comunicazione diretta tra rotore e alternatore. Quando il vento soffia forte, il numero di giri del rotore eccessivamente elevato andrebbe a innescare continuamente un meccanismo di difesa del generatore, interrompendo la produzione di energia eolica. Il riduttore di giri va a modulare la potenza erogata al generatore.

Lo sviluppo di alternatori con un elevato numero di coppie polari, ha reso possibile la messa a punto di turbine eoliche prive di riduttore. In questo contesto il meccanismo di funzionamento è leggermente differente per l’adozione di alternatori e moltiplicatori di giri ad hoc. Sono ancora pochi i produttori di pale eoliche che hanno rinunciato all’adozione del riduttore, tuttavia le ricerche e lo sviluppo di nuove macchine sembrano puntare in questa direzione.

Pubblicato da Anna De Simone il 19 Agosto 2016