Pale Eoliche: Funzionamento e Applicazioni future

Le pale eoliche sono ormai un simbolo della green economy. Producono energia elettrica attraverso l’ausilio di pale che sfruttano l’energia cinetica prodotta dal vento. Assieme al nucleare e alla piezoelettricità, rappresentano un’alternativa sostenibile per l’ambiente. Come funzionano esattamente? Una pala eolica è ben più complessa di quello che è in apparenza: il palo e le eliche sospinte dal vento sono elementi fondamentali ma non è tutto. Bisogna prendere in considerazione pure le turbine, i sistemi di monitoraggio e i generatori.

In questo articolo scopriremo da quali componenti sono costituite, come funziona l’intero processo di conversione dall’energia cinetica del vento fino all’energia elettrica, e quali vantaggi offrono oggigiorno. In ultima analisi, valuteremo anche alcuni possibili svantaggi.

Quando fu costruita la prima pala eolica?

Costruzione delle prime pale eoliche

Le prime pale eoliche furono costruite con il legno nel tardo XIX secolo, ma erano molto diverse dalle pale eoliche moderne. Nel 1887, l’inventore scozzese James Blyth costruì la prima turbina eolica per la produzione di energia elettrica, che aveva una potenza di 33 kW e una torre alta 27 metri. L’aspetto ricorda quello di una casetta in legno poggiata su delle alte gambe, con le pale installate sulla facciata. Nel 1941, il fisico tedesco Albert Betz sviluppò la teoria matematica delle turbine eoliche, che ha fornito una base per la progettazione delle moderne pale eoliche. Negli anni ’70 e ’80, le pale eoliche hanno iniziato a diventare sempre più comuni come fonte di energia rinnovabile.

Quali differenze possiamo riscontrare tra le vecchie pale e quelle odierne? Parecchie:

• Innanzitutto le dimensioni. Se posizioniamo le due pale eoliche in prossimità, vedremo che quella odierna è circa tre o quattro volte più grande, raggiungendo altezze di 100 metri.
• L’efficienza: grazie a turbine più sofisticate, ma anche ai generatori di ultima generazione, le pale eoliche di oggi risultano molto più efficienti. Per intenderci, quelle odierne riescono a convertire fino al 60% dell’energia cinetica del vento in energia elettrica, mentre quelle remote circa il 5-10%. Ciò si traduce almeno in un’efficienza sei volte maggiore.
• I materiali: oggi vengono impiegati materiali leggeri e resistenti, come la fibra di vetro e la resina epossidica. Una volta veniva usato il legno, materiale facilmente suscettibile agli agenti atmosferici.
• Un nuovo sistema di controllo: i sistemi di controllo odierni regolano la velocità della turbina in base alla potenza del vento.
• Conversione di energia: se oggi vengono usate per la produzione di energia elettrica, una volta per la pompa dell’acqua o la molitura del grano.

Queste sono le principali differenze tra la pala eolica odierna e quella di tanto tempo fa. Prima di spiegare nei dettagli il funzionamento della pala eolica moderna, è meglio esaminare i suoi componenti.

I componenti della pala eolica sotto esame

Le pale eoliche moderne sono costituite da diversi componenti, ognuno dei quali svolge un ruolo importante nel funzionamento dell’impianto. Ecco i principali componenti e la loro funzione:

1. Navicella e sistema di imbardata: la navicella è la parte superiore della torre della turbina eolica, dove sono installati il generatore, l’elettronica di controllo e il sistema di orientamento. La navicella ruota insieme alle pale per allinearsi con la direzione del vento e massimizzare la produzione di energia. Il sistema di imbardata è il sistema che consente alla navicella di ruotare intorno alla torre della turbina elettrica. Quando il vento cambia direzione, il sistema fa ruotare la navicella in maniera simile a un ventilatore, in modo da massimizzare la produzione di energia elettrica.
2. Pale: le pale sono le parti mobili della turbina eolica che catturano l’energia del vento per far ruotare l’albero di trasmissione. Le pale moderne sono solitamente realizzate in compositi di fibra di vetro o di carbonio, e sono progettate per massimizzare l’efficienza aerodinamica.
3. Albero di trasmissione: l’albero di trasmissione trasferisce la potenza meccanica delle pale al generatore, che la converte in energia elettrica. L’albero di trasmissione è solitamente costituito da una serie di ingranaggi che aumentano la velocità di rotazione delle pale, che è relativamente bassa, a quella richiesta dal generatore.
4. Generatore: il generatore converte l’energia meccanica dell’albero di trasmissione in energia elettrica. I generatori delle turbine eoliche moderne sono solitamente generatori sincroni a magneti permanenti, che sono efficienti e affidabili.
5. Sistema di controllo: il sistema di controllo della turbina eolica regola il funzionamento della macchina in modo da massimizzare la produzione di energia elettrica e proteggere l’impianto dalle condizioni climatiche avverse. Il sistema di controllo monitora la velocità del vento, la direzione del vento e la temperatura della macchina, e regola la velocità delle pale e il loro angolo di inclinazione per massimizzare l’efficienza.
6. Torre: la torre sostiene la navicella e le pale della turbina eolica. Le torri delle turbine eoliche moderne sono solitamente realizzate in acciaio o in cemento armato, e possono raggiungere altezze di oltre 100 metri per massimizzare la cattura del vento.

Funzionamento delle pale eoliche: aerodinamica e meccanismi

Le pale eoliche sono un sistema di produzione di energia rinnovabile che sfrutta la forza del vento per generare elettricità. Il loro funzionamento è basato su una serie di componenti che lavorano in sinergia per catturare l’energia cinetica del vento e trasformarla in energia elettrica utilizzabile.

Ecco i 6 passi chiave per comprendere il funzionamento delle pale eoliche:

1. La posizione delle pale eoliche: le turbine eoliche sono generalmente posizionate in luoghi aperti e ventosi, come le colline o le coste. Una volta posizionate, le pale si orientano automaticamente nella direzione del vento grazie ad un sistema di rotazione.
2. La cattura del vento: le pale della turbina sono progettate per catturare il vento, che spinge le pale a ruotare. Le pale sono aerodinamicamente progettate per massimizzare la superficie di cattura del vento e minimizzare la resistenza. Le pale cominciano a produrre energia a partire da una velocità del vento di circa 3-4 metri al secondo (m/s). La massima efficienza viene raggiunta quando il vento tocca i 14 m/s.
3. Il movimento delle pale: quando il vento colpisce le pale, queste iniziano a muoversi, trasformando l’energia cinetica del vento in energia meccanica. Le pale sono collegate ad un albero centrale tramite un sistema di trasmissione, che trasferisce l’energia meccanica all’alternatore.
4. L’alternatore: L’alternatore (o generatore) è il cuore della turbina eolica, trasformando l’energia meccanica in energia elettrica utilizzabile. L’alternatore è costituito da un rotore e da un sistema di statori. Il rotore è collegato all’albero centrale della turbina eolica, mentre gli statori sono disposti intorno al rotore. Quando il rotore gira, genera un campo magnetico che induce una corrente elettrica negli statori.
5. Il sistema di controllo: le turbine eoliche sono dotate di un sistema di controllo che regola la velocità delle pale in base alla direzione e alla velocità del vento. Questo sistema permette di massimizzare l’efficienza della turbina eolica e di proteggerla da danni causati da venti troppo forti.
6. La distribuzione dell’energia elettrica: l’energia elettrica prodotta dalla turbina viene trasferita alla rete elettrica tramite un sistema di trasmissione. L’energia può essere utilizzata immediatamente o immagazzinata in batterie per un uso futuro.

In sintesi, le pale eoliche rappresentano una soluzione sostenibile per la produzione di energia elettrica, che sfrutta una fonte rinnovabile e pulita come il vento. Grazie alla loro efficienza e al loro sistema di controllo, le pale eoliche possono contribuire in modo significativo alla riduzione delle emissioni di gas serra e alla transizione verso un’economia a basse emissioni di carbonio.

Lo svantaggio delle turbine eoliche

Purtroppo un loro svantaggio è che dipendono dalle condizioni ambientali e meteorologiche: se non c’è abbastanza vento le turbine eoliche non producono sufficiente energia elettrica. Un altro possibile svantaggio è che richiedono un certo spazio, al contrario di una singola centrale nucleare. Di pale ce ne vogliono parecchie. Tuttavia, un sapiente uso degli spazi è possibile. Le pale eoliche offshore, ad esempio, sono installate a mare aperto, prendono meno spazio poiché nei dintorni sono esenti edifici o alberi.

Possono le pale eoliche causare problemi di rumore? La domanda è lecita, giacché le pale, con quella velocità, causano per forza rumore. In effetti, le pale vicino a zone abitative possono impattare sulla salute degli abitanti: il disturbo acustico può causare disturbi del sonno e stress. L’installazione di pale eoliche lontane dai centri abitati deve essere la condizione ideale.

Applicazioni future

Le turbine eoliche  si sono sviluppate in modo significativo negli ultimi decenni. In futuro, le pale eoliche potrebbero trovare applicazioni innovative e interessanti in diversi settori, tra cui:

1. Edifici a energia zero: le pale eoliche potrebbero essere utilizzate per la produzione di energia in edifici a energia zero, consentendo di ridurre la dipendenza dalla rete elettrica tradizionale.
2. Sistemi di desalinizzazione: potrebbero alimentare sistemi di desalinizzazione, consentendo di produrre acqua potabile da fonti di acqua salata o salmastra.
3. Mobilità urbana: le pale eoliche potrebbero essere integrate nelle infrastrutture di trasporto urbano, come i parcheggi, per alimentare i veicoli elettrici.
4. Energie rinnovabili: potrebbero essere applicate in combinazione con altre fonti di energia rinnovabile, come pannelli solari, per creare sistemi di energia ibridi e ridurre ulteriormente l’impatto ambientale.

Inoltre, la ricerca e lo sviluppo continueranno a migliorare l’efficienza e la durata delle pale eoliche, consentendo di utilizzare sempre più questa tecnologia per la produzione di energia pulita e sostenibile.