L'energia eolica è una fonte rinnovabile e pulita di energia che può ridurre le emissioni di gas serra e la dipendenza dai combustibili fossili. Le turbine eoliche sono macchine che convertono l'energia cinetica del vento in energia elettrica. Esistono due tipi principali di turbine eoliche in base all'orientamento del loro asse: orizzontale e verticale.
Una turbina eolica ad asse orizzontale (HAWT) è definita come una turbina eolica che ha un asse di rotazione orizzontale o parallelo al terreno. Le HAWT sono il tipo più comune di turbine eoliche utilizzate per la generazione di elettricità su larga scala. Di solito hanno tre pale che assomigliano a eliche di aeroplani, anche se alcune possono avere due o una singola pala.
I componenti principali di una HAWT sono:
Il rotore, che comprende le pale e il mozzo che le collega all'albero.
La gondola ospita il generatore, il riduttore, il freno, il sistema di yaw e altri componenti meccanici ed elettrici.
Il supporto sostiene la gondola e il rotore e li eleva sopra il terreno per catturare più vento.
La fondazione fissa il supporto al terreno e trasferisce i carichi dalla turbina eolica.
Il principio di funzionamento di una HAWT si basa sul sollevamento, che è la forza che spinge un oggetto verso l'alto quando l'aria scorre sulla sua superficie. Le pale di una HAWT sono a forma di profilo alare, che creano una differenza di pressione tra le loro superfici superiore e inferiore quando soffia il vento. Questa differenza di pressione causa la rotazione delle pale intorno all'asse orizzontale, che a sua volta aziona l'albero e il generatore per produrre elettricità.
Il piano del rotore di una HAWT deve essere allineato con la direzione del vento per massimizzare la sua efficienza. Pertanto, una HAWT ha un sensore di vento e un sistema di yaw che regolano l'orientamento della gondola in base alla direzione del vento. Una HAWT dispone anche di un sistema di passo che cambia l'angolo di attacco delle pale per controllare la loro velocità di rotazione e la potenza prodotta.
I vantaggi delle HAWT sono:
Hanno un'efficienza superiore rispetto alle turbine eoliche ad asse verticale (VAWT) perché possono catturare più energia eolica con meno attrito.
Hanno un'oscillazione di coppia e uno stress meccanico inferiori rispetto alle VAWT perché hanno meno variazioni nelle forze aerodinamiche durante ogni rotazione.
Possono essere installate offshore su piattaforme galleggianti o fondazioni fisse, dove la velocità del vento è maggiore e più costante.
Gli svantaggi delle HAWT sono:
Richiedono un supporto alto e un'ampia area di terreno per evitare turbolenze e interferenze da strutture o terreni vicini.
Sono più costose e complesse da installare e mantenere rispetto alle VAWT perché hanno più parti mobili e componenti elettrici.
Sono più suscettibili a fatica e danni causati da venti forti, tempeste, fulmini, uccelli o ghiaccio.
Una turbina eolica ad asse verticale (VAWT) è definita come una turbina eolica che ha un asse di rotazione verticale o perpendicolare al terreno. Le VAWT sono meno comuni rispetto alle HAWT, ma hanno alcuni vantaggi per applicazioni su piccola scala e in ambito urbano. Di solito hanno due o tre pale che possono essere dritte o curve.
I componenti principali di una VAWT sono:
Il rotore, che comprende le pale e l'albero verticale che le collega al generatore.
Il generatore, che converte l'energia meccanica del rotore in energia elettrica.
La base, che sostiene il rotore e il generatore e li collega al terreno.
Il principio di funzionamento di una VAWT si basa sull'attrito, che è la forza che oppone la resistenza al movimento di un oggetto quando l'aria scorre sulla sua superficie. Le pale di una VAWT sono simmetriche o asimmetriche, che creano quantità diverse di attrito quando affrontano o oppongono la direzione del vento. Questa differenza di attrito causa la rotazione delle pale intorno all'asse verticale, che a sua volta aziona il generatore per produrre elettricità.
Il piano del rotore di una VAWT non deve essere allineato con la direzione del vento perché può catturare il vento da qualsiasi direzione. Pertanto, una VAWT non ha un sistema di yaw o un sensore di vento. Tuttavia, una VAWT può avere un sistema di passo che cambia l'angolo di attacco delle pale per controllare la loro velocità di rotazione e la potenza prodotta.
I vantaggi delle VAWT sono:
Hanno costi di installazione e manutenzione inferiori rispetto alle HAWT perché hanno meno parti mobili e componenti elettrici.
Hanno livelli di rumore inferiori rispetto alle HAWT perché ruotano a velocità più lente.
Possono essere installate sui tetti o vicino agli edifici perché hanno altezze e impronte minori rispetto alle HAWT.
Gli svantaggi delle VAWT sono:
Hanno un'efficienza inferiore rispetto alle HAWT perché hanno più attrito e meno sollevamento.
Hanno un'oscillazione di coppia e uno stress meccanico superiori rispetto alle HAWT perché hanno più variazioni nelle forze aerodinamiche durante ogni rotazione.
Non possono essere installate offshore perché sono meno stabili e durature rispetto alle HAWT.
Esistono due tipi principali di VAWT in base al design delle pale: Darrieus e Savonius.
Le turbine Darrieus sono VAWT che hanno pale curve che assomigliano a un frullino o a una trocoide. Furono inventate dall'ingegnere francese Georges Darrieus nel 1931. Le turbine Darrieus utilizzano sia il sollevamento che l'attrito per far ruotare le loro pale. Possono raggiungere alte velocità di rotazione, ma richiedono un meccanismo di avviamento esterno, come un motore elettrico o un'altra turbina, perché non possono avviarsi da sole.
I vantaggi delle turbine Darrieus sono:
Hanno un coefficiente di potenza superiore rispetto alle turbine Savonius perché utilizzano sia il sollevamento che l'attrito.
Hanno un rapporto di solidità inferiore rispetto alle turbine Savonius perché hanno meno pale con spazi maggiori tra di esse.
Gli svantaggi delle turbine Darrieus sono:
Richiedono un meccanismo di avviamento esterno perché non possono avviarsi da sole.
Hanno forze centrifughe superiori rispetto alle turbine Savonius perché ruotano a velocità più elevate.
