LA RISPOSTA BREVE

Il vento esercita sulle pale una forza che fa ruotare il rotore, cioè l’insieme delle pale e del mozzo. La rotazione aziona un generatore elettrico. Quando il vento diventa troppo forte, la turbina può ridurre la potenza o fermarsi per contenere gli sforzi sui componenti.

Partiamo dalle basi

Una pala lavora come un’ala

Guardando le due turbine della fotografia, è facile pensare che l’aria spinga le pale come spinge una porta socchiusa. Il profilo di ciascuna pala, però, ha una forma studiata per agire come un’ala. Quando l’aria la investe, la pressione sulle due facce risulta diversa. Nasce così una forza chiamata portanza, perpendicolare alla direzione del flusso che la pala incontra. Una parte di quella forza agisce nel verso della rotazione.

Nelle grandi turbine di questo tipo, la macchina può girare la navicella, la struttura in cima alla torre, per orientare il rotore rispetto alla direzione del vento. Può anche ruotare ogni pala intorno al proprio asse: regolare questo angolo, detto passo, cambia il modo in cui la pala interagisce con l’aria.

Fonti: [1][5]

Dalla rotazione al cavo elettrico

Il mozzo trasmette il movimento a un albero, un elemento meccanico che ruota dentro la navicella. In alcune turbine un sistema di ingranaggi aumenta la velocità di rotazione prima del generatore. Altre macchine collegano il rotore direttamente a un generatore progettato per lavorare a velocità più bassa: è la soluzione chiamata azionamento diretto.

Nel generatore, il moto fa variare il flusso del campo magnetico attraverso gli avvolgimenti, cioè spire di filo conduttore. A cambiare può essere, per esempio, l’orientamento delle spire rispetto al campo. Questa variazione induce una tensione elettrica. Nelle macchine moderne, l’elettronica di potenza può adattare l’elettricità prodotta alle caratteristiche richieste dalla rete. La catena è quindi vento, rotazione, elettricità: ogni passaggio trasferisce o trasforma energia.

Fonti: [1][4][6]

Perché più vento non significa sempre più elettricità

Con vento debole la turbina comincia a produrre solo oltre una certa soglia. Aumentando la velocità dell’aria, la potenza elettrica sale fino al valore nominale, quello previsto dal progetto. Oltre quel punto la macchina regola il passo delle pale per mantenere la produzione entro il limite anche se il vento continua a rinforzare.

Se viene superata la soglia di arresto, che dipende dal modello, la macchina può interrompere la produzione per proteggere il rotore e gli altri componenti. Una turbina ferma, quindi, non dimostra da sola che manchi vento: anche un vento eccessivo può spiegare la sosta.

Fonti: [2]

PER APPROFONDIRE

Un passo più in là

Il cerchio delle pale e la velocità del vento

Mentre ruotano, le punte delle pale disegnano un cerchio. L’area racchiusa, chiamata area spazzata, rappresenta la sezione del flusso da cui il rotore può ricavare energia. A parità di area e densità dell’aria, se la velocità del vento raddoppia, attraverso quel cerchio passa il doppio della massa d’aria ogni secondo. Ogni chilogrammo, inoltre, trasporta quattro volte l’energia di movimento: due per quattro fa otto.

Quel fattore otto riguarda la potenza contenuta nel vento in queste condizioni ideali. La turbina ne estrae solo una parte e il generatore non può superare liberamente i propri limiti. Per stimare la produzione effettiva serve la curva di potenza del modello, che indica quanta potenza elettrica fornisce alle diverse velocità del vento.

Fonti: [2][3]

Tre cose da portare con sé

  • La portanza sulle pale mette in rotazione il rotore.
  • Il generatore trasforma il movimento dell’albero in elettricità.
  • Con vento troppo forte la turbina può fermarsi per proteggersi.

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Le fonti, a portata di clic

Materiali consultati per questo articolo. Le fonti possono essere in inglese.

  1. 1
    U.S. Department of EnergyHow Do Wind Turbines Work?

    Portanza, orientamento, passo delle pale e catena di conversione.

  2. 2
    U.S. Department of EnergyHow Do Wind Turbines Survive Severe Weather and Storms?

    Curva di potenza, soglia di produzione, limite nominale e arresto.

  3. 3
    U.S. Department of Energy / WINDExchangeSmall Wind Guidebook

    Area spazzata, densità dell’aria e dipendenza cubica dalla velocità del vento.

  4. 4
    National Renewable Energy Laboratory (oggi National Laboratory of the Rockies)NREL Reimagines Next-Generation Drivetrain Technologies for Offshore Wind Turbines

    Configurazioni con moltiplicatore a ingranaggi e ad azionamento diretto.

  5. 5
    Kiwiev / Wikimedia CommonsWind turbine in lush field, Austria

    Soggetto, luogo e condizioni di riuso della fotografia.

  6. 6
    OpenStax / Rice UniversityCollege Physics, §23.5: Electric Generators

    Induzione elettromagnetica negli avvolgimenti del generatore.

Testo realizzato con assistenza dell’intelligenza artificiale. Come lavoriamo