Aerogeneratori: componenti, funzionamento e consigli utili per la progettazione

Conosciuti in gergo come turbine eoliche, gli aerogeneratori sono dispositivi che sfruttano l'energia cinetica dei venti e delle correnti d'aria per generare energia elettrica. In questo articolo capiremo quali sono componenti principali di un aerogeneratore, come contribuiscono al suo funzionamento e, dopo aver speso qualche parola sulle prestazioni, forniremo ai tecnici dei consigli per la progettazione e degli errori da evitare.

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I componenti di un aerogeneratore

Gli aerogeneratori sono composti da vari elementi interconnessi che lavorano insieme per convertire l'energia cinetica del vento in energia elettrica. Ogni componente ha un ruolo specifico e fondamentale e, lavorando sinergicamente, riescono garantire il funzionamento efficiente e sicuro dell'aerogeneratore, massimizzando la produzione di energia rinnovabile.

I principali componenti di un aerogeneratore includono:

Rotore	Il rotore è il componente dell'aerogeneratore su cui sono fissate una, due, tre o più pale. Esistono anche rotori dotati di pale mobili, che hanno la capacità di variare l'inclinazione in base alla velocità del vento in modo da assicurare un livello costante di produzione di energia elettrica. Le pale sono generalmente realizzate in fibra di vetro, e la loro dimensione, forma e inclinazione determinano l'area spazzata dal rotore. La potenza generata da un aerogeneratore dipende principalmente dall'area spazzata dal rotore e dal cubo della velocità del vento.
Sistema frenante	Il sistema frenante si compone di due sistemi di arresto delle pale indipendenti. Il primo è un sistema di frenaggio aerodinamico e serve a controllare la potenza dell'aerogeneratore, agendo come freno di emergenza e arrestando il rotore in caso di raggiungimento di velocità troppo elevate. Il secondo è un sistema meccanico che viene utilizzato per completare la procedura di arresto del rotore e serve anche come freno di stazionamento.
Moltiplicatore di Giri	Il moltiplicatore di giri, noto anche come gearbox, è un componente essenziale che ha il compito di trasformare la rotazione lenta delle pale del rotore in una rotazione più veloce, adeguata per far funzionare il generatore elettrico. Le pale del rotore, infatti, girano a velocità relativamente basse, tipicamente tra 10 e 20 giri al minuto (RPM). Tuttavia, i generatori elettrici richiedono velocità di rotazione molto più elevate, spesso tra 1000 e 1500 RPM, per funzionare in modo efficiente. Il moltiplicatore di giri aumenta la velocità di rotazione dell'albero collegato alle pale a un livello compatibile con il generatore.
Generatore	Il generatore trasforma l'energia meccanica in energia elettrica. I giri al minuto dell'aerogeneratore, e quindi la frequenza dell'energia elettrica prodotta, sono molto variabili (come lo è la velocità del vento); tuttavia la frequenza di rete deve essere costante a 50 Hz. Perciò i generatori vengono collegati a una serie di inverter prima di immettere l'energia in rete.
Sistema di controllo	Il funzionamento di un aerogeneratore è regolato da un sistema di controllo che ne gestisce le diverse operazioni di lavoro e aziona il dispositivo di sicurezza per l'arresto in caso di malfunzionamento e di sovraccarico dovuto ad eccessiva velocità del vento.
Navicella	La navicella è una cabina in cui sono ubicati tutti i componenti di un aerogeneratore. La navicella è posizionata sulla cima della torre e può girare di 180° sul proprio asse. Per assicurare sempre il massimo rendimento dell'aerogeneratore è importante mantenere un allineamento più continuo possibile tra l'asse del rotore e la direzione del vento. Negli aerogeneratori di media e grossa taglia, l'allineamento è garantito da un servomeccanismo, detto sistema di imbardata, mentre nei piccoli aerogeneratori è sufficiente l'impiego di una pinna direzionale. Nel sistema di imbardata un sensore, la banderuola, indica lo scostamento dell'asse della direzione del vento e aziona un motore che riallinea la navicella.
Torre e Fondamenta	La torre sostiene la navicella e il rotore, può essere a forma tubolare o a traliccio. La struttura dell'aerogeneratore per poter resistere alle oscillazioni ed alle vibrazioni causate dalla pressione del vento deve essere ancorata al terreno mediante fondamenta che molto spesso sono completamente interrate e costruite con cemento armato.

Come funziona un aerogeneratore

Sulla base dei componenti elencati, riassumere lo schema di base del funzionamento di un aerogeneratore in 3 step, diventa più "semplice":

1. il rotore, messo in movimento dal vento, trasmette la sua rotazione al moltiplicatore di giri;
2. il moltiplicatore trasforma la rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce, per far funzionare il generatore;
3. il generatore elettrico converte poi l'energia meccanica in energia elettrica e, grazie ad un sistema di inverter, si trasferisce l'energia elettrica alla rete, modificandone le caratteristiche per l'integrazione.

Di norma, il rotore inizia a funzionare quando il vento supera i 10 km/h e l'aerogeneratore si arresta per sicurezza quando il vento supera i 90 km/h, in questo "range" il costante funzionamento del sistema di produzione di energia è assicurato dai sistemi di imbardata e dai vari sistemi di controllo che permettono di monitorare costantemente i parametri dell'aerogeneratore, arrestandolo al raggiungimento di velocità troppo elevate.

Le prestazioni energetiche di una turbina eolica

Le prestazioni energetiche di una turbina eolica sono valutate principalmente attraverso la curva di potenza e il capacity factor. Questi due parametri sono fondamentali per comprendere l'efficienza e la produttività di un aerogeneratore.

Curva di Potenza

La curva di potenza di una turbina eolica rappresenta il rapporto tra la velocità del vento e la potenza elettrica generata. Questa curva è essenziale per determinare come una turbina si comporta in diverse condizioni di vento. I parametri chiave della curva di potenza includono:

Cut-in Wind Speed	È la velocità minima del vento necessaria per avviare la turbina. Quando il vento raggiunge questa velocità, tipicamente intorno ai 10 km/h, il rotore inizia a girare e la turbina inizia a produrre energia elettrica.
Rated Wind Speed	È la velocità del vento alla quale la turbina produce la potenza nominale. A questa velocità, la turbina funziona alla massima capacità, generando la quantità massima di energia elettrica per cui è stata progettata. Questa velocità, generalmente tra i 40 e i 60 km/h, è scelta in base alle condizioni anemologiche locali.
Cut-out Wind Speed	È la velocità del vento oltre la quale la turbina viene fermata per evitare danni. Quando il vento supera questa velocità, di solito intorno ai 90 km/h, i sistemi di controllo fermano la turbina per proteggere i componenti meccanici ed elettrici da potenziali danni.

Capacity Factor

Il capacity factor è un indicatore chiave delle prestazioni di una turbina eolica, rappresentando il rapporto tra l'energia effettivamente prodotta in un determinato periodo di tempo e l'energia che avrebbe potuto essere prodotta se l'impianto avesse funzionato alla potenza nominale per tutto lo stesso periodo. Questo parametro è espresso in percentuale e fornisce una misura dell'efficienza operativa della turbina.

Ad esempio, un capacity factor del 30% significa che la turbina ha prodotto il 30% dell'energia che avrebbe potuto generare se avesse funzionato continuamente alla potenza nominale. Il capacity factor dipende da vari fattori, tra cui le condizioni del vento nel sito di installazione, l'efficienza della turbina e la sua capacità di operare in modo continuo ed efficiente.

Tipologie di Aerogeneratori

Esistono due principali tipologie di aerogeneratori: quelli ad asse verticale (VAWT) e quelli ad asse orizzontale (HAWT). Ogni tipologia presenta specifiche caratteristiche, vantaggi e svantaggi che analizzeremo nel dettaglio.

1. Aerogeneratori ad Asse Orizzontale (HAWT)

Gli aerogeneratori ad asse orizzontale, conosciuti come HAWT (Horizontal Axis Wind Turbines), rappresentano la tecnologia più diffusa e riconoscibile nel campo dell'energia eolica. Caratterizzati da un asse di rotazione parallelo al suolo, questi dispositivi sono progettati per massimizzare l'energia estratta dal vento, grazie alla loro configurazione efficiente e consolidata.

Gli HAWT hanno pale che ruotano attorno a un asse orizzontale, montato sulla sommità di una torre alta. Le pale sono orientate nella direzione del vento grazie a un sistema di imbardata, che garantisce che il rotore sia sempre allineato con il vento prevalente.

Questa configurazione permette di catturare il vento a quote più alte, dove è generalmente più forte e costante.


Offrono una serie di vantaggi in termine di:

1. Efficienza: Gli HAWT sono altamente efficienti, catturando il vento a quote elevate dove è più forte.
2. Tecnologia consolidata: L'uso diffuso di questa tecnologia ha portato a una maggiore affidabilità e a costi di manutenzione ridotti.
3. Maggiore potenza: Possono supportare pale più lunghe, generando così più energia.

Tuttavia, a fronte di ciò, presentano anche degli svantaggi, ovvero:

1. Complessità strutturale: La costruzione e manutenzione di torri alte richiedono costi elevati e tecnologie avanzate.
2. Impatto visivo e ambientale: Possono avere un impatto significativo sul paesaggio e sulla fauna.
3. Rumorosità: Le pale in movimento generano rumore, che può essere problematico in aree residenziali.

Concludiamo citando le due tipologie di aerogeneratori ad asse orizzontale, ovvero:

• Turbine sopravento (upwind): Il vento incontra prima il rotore rispetto alla torre. Sono più efficienti ma necessitano di un sistema di orientamento.
• Turbine sottovento (downwind): Il vento incontra prima la torre e poi il rotore. Sono auto allineanti ma risentono dell'interazione tra torre e rotore.

2. Aerogeneratori ad Asse Verticale (VAWT)

Gli aerogeneratori ad asse verticale, noti come VAWT (Vertical Axis Wind Turbines), rappresentano una delle due principali categorie di turbine eoliche, caratterizzate da un asse di rotazione perpendicolare al suolo.

Questa configurazione unica offre vari vantaggi rispetto agli aerogeneratori ad asse orizzontale (HAWT), ma presenta anche alcune sfide. I VAWT hanno pale montate verticalmente attorno a un asse centrale.

A differenza degli HAWT, che devono essere orientati nella direzione del vento, i VAWT possono catturare il vento da qualsiasi direzione. Questo li rende particolarmente adatti per aree urbane o per siti con vento turbolento e direzionalmente variabile.

La loro struttura garantisce numerosi vantaggi, ovvero:

1. Versatilità di installazione: Possono essere installati facilmente in aree urbane o su tetti di edifici.
2. Manutenzione più semplice: Essendo più vicini al suolo, la manutenzione è più facile e sicura.
3. Minore impatto ambientale: Hanno un impatto visivo ridotto e si integrano meglio nel paesaggio urbano.

Tuttavia, rispetto ai loro "cugini" ad asse orizzontale presentano degli svantaggi:

1. Efficienza inferiore: Generalmente meno efficienti.
2. Maggiore sollecitazione strutturale: Le pale subiscono forze aerodinamiche variabili, causando maggiore usura.
3. Dimensioni limitate: Sono solitamente più piccoli e producono meno energia.

Per quanto riguarda le sottotipologie di VAWT, citiamo:

• Turbine tipo Savonius: Composte da pale a forma semicilindrica, sono poco rumorose e facili da integrare negli edifici.
• Turbine tipo Darrieus: Dotate di pale a lama diritte o curve, raggiungono alte velocità di rotazione ma necessitano di un dispositivo ausiliario per avviarsi.
• Turbine tipo Darrieus-Savonius (ibrida): Combina le caratteristiche delle turbine Darrieus e Savonius per migliorare l'avviamento.
• Turbine tipo Gorlov, Windside, Kobold e Ropatec: Diverse varianti che offrono soluzioni specifiche per applicazioni di microeolico e contesti urbani.

Consigli per la Progettazione ed Errori da Evitare

La progettazione di impianti eolici richiede un'attenzione meticolosa ai dettagli e una profonda comprensione delle dinamiche del vento e delle specifiche tecniche degli aerogeneratori. Per i professionisti del settore, ecco alcuni consigli pratici e errori comuni da evitare durante la fase di progettazione.



Partiamo dai consigli, ecco 5 elementi a cui bisogna prestare molta attenzione per ottimizzare il lavoro di progettazione:

1. Valutazione Anemologica Dettagliata
   Prima di procedere con la progettazione, è essenziale condurre uno studio anemologico approfondito per comprendere le caratteristiche del vento nel sito prescelto. Installare strumenti di misura del vento a diverse altezze aiuta a raccogliere dati accurati sulla velocità e la direzione del vento.
2. Scelta della Tipologia di Turbina
   Selezionare la tipologia di aerogeneratore più adatta alle condizioni del sito. Ad esempio, per aree con venti turbolenti e variabili, i VAWT possono essere più appropriati, mentre per siti con vento costante e forte, gli HAWT sono spesso la scelta migliore.
3. Ottimizzazione del Layout del Parco Eolico
   Posizionare le turbine in modo da minimizzare l'interferenza del flusso d'aria tra le turbine stesse (effetto ombra). Assicurarsi che ci sia una distanza adeguata tra le turbine per evitare perdite di efficienza e ridurre le sollecitazioni strutturali.
4. Integrazione Ambientale
   Considerare l'impatto ambientale e visivo del progetto. Implementare misure per proteggere la fauna locale, in particolare gli uccelli e i pipistrelli, e cercare soluzioni che riducano il rumore prodotto dalle turbine.
5. Accesso e Manutenzione
   Progettare infrastrutture che facilitino l'accesso per la costruzione e la manutenzione delle turbine. Strade di accesso adeguate e spazi sufficienti per le operazioni di manutenzione sono fondamentali per garantire la longevità e l'efficienza operativa dell'impianto.

Un consiglio extra è quello di tenersi sempre al passo con gli aggiornamenti normativi del settore, immagazzinando nuove conoscenze relative alle prassi operative definite dalle norme tecniche di settore. Un corso di formazione accreditato in questi casi è la soluzione più consigliata per ottenere il giusto livello di preparazione in modo rapido ed efficace.

Invece, per quanto riguarda le cose da non fare, ecco i 5 errori che i principianti commettono più spesso e che possono compromettere l'intera opera:

1. Sottovalutare il Sito
   Un'analisi superficiale delle condizioni del vento può portare a scelte sbagliate nella selezione delle turbine e nella loro disposizione, compromettendo l'efficienza dell'intero impianto.
2. Ignorare le Normative Locali
   Assicurarsi di rispettare tutte le normative locali e le linee guida ambientali. Non conformarsi alle leggi può comportare sanzioni legali e ritardi nel progetto.
3. Non progettare adeguatamente il Sistema di Controllo
   Un sistema di controllo mal progettato può portare a inefficienze operative e aumentare i rischi di guasti. È fondamentale implementare sistemi di controllo avanzati che monitorino continuamente le prestazioni delle turbine e garantiscano la sicurezza dell'impianto.
4. Non considerare il fattore Manutenzione
   Non considerare l'accessibilità e la manutenzione durante la fase di progettazione può aumentare significativamente i costi operativi e ridurre la vita utile delle turbine. Pianificare adeguatamente gli spazi e le infrastrutture di manutenzione è cruciale.
5. Sottovalutare l'Impatto Ambientale
   Non considerare adeguatamente l'impatto ambientale può portare a opposizioni da parte della comunità e delle autorità regolatorie. È importante eseguire studi di impatto ambientale completi e coinvolgere le comunità locali nel processo decisionale.

Implementando questi consigli e evitando gli errori comuni, i professionisti possono ottimizzare la progettazione degli impianti eolici, massimizzando l'efficienza e la sostenibilità, e garantendo il successo a lungo termine dei loro progetti.