Tipi di Turbini Eolici HAWT, VAWT e Altri Spiegati

La vasta maggioranza delle turbine Eoliche visti in giro per il paese nelle fattorie eoliche (sia a terra che offshore) sono progetti standard con 3 pale. Tuttavia, esistono numerosi stili/tipi diversi di turbine e il modo in cui essi utilizzano l'energia cinetica del vento è abbastanza diverso.

I due principali tipi di turbine eoliche sono ad asse orizzontale e ad asse verticale. Turbine eoliche ad asse orizzontale hanno l'asse di rotazione orientato orizzontalmente. Di solito presentano 3 pale e sono progettate per affrontare il vento. Le turbine eoliche ad asse verticale hanno l'asse di rotazione allineato verticalmente e sono progettate per catturare l'energia cinetica nella direzione opposta.

Oltre alle turbine eoliche ad asse orizzontale e ad asse verticale, esistono altre iterazioni della turbina che vale la pena esplorare.

Il tipo più comune di turbine eoliche è la 'Turbina Eolica ad Asse Orizzontale'. Viene definita ad asse orizzontale poiché l'asse rotante è posizionato orizzontalmente (vedi diagramma, sotto).

Le turbine eoliche ad asse orizzontale devono puntare direttamente controvento per funzionare con efficienza massima, e l'intera parte superiore è progettata per ruotare per affrontare il vento. Quando il vento cambia direzione, la parte superiore deve ruotare (o 'stricare') per restare sempre orientata controvento.

Le turbine eoliche ad asse orizzontale vengono scelte per le fattorie eoliche offshore e onshore dove il terreno è prevalentemente piatto e aperto, poiché funzionano con maggiore efficienza rispetto alle turbine ad asse verticale in aree dove il vento non è turbolento.

Costruite per le dimensioni

Sebbene ci siano numerosi piccoli turbine ad asse orizzontale disponibili commercialmente per i proprietari di case attenti all'energia, uno dei loro grandi vantaggi è che si scalano bene per la produzione e possono essere costruiti MOLTO GRANDI. Questa è un'altra ragione per cui vengono utilizzati nelle fattorie eoliche. È molto più conveniente costruire ed operare un singolo turbine da 10 megawatt (MW) piuttosto che cinque turbine da 2 MW.

Il turbine eolico più grande del mondo (al luglio 2021) è il Vestas V236, con una potenza nominale di 15 megawatt (MW). Ha un diametro del rotore delle pale di 236m – più del doppio dell'altezza della Statua della Libertà! Una singola rotazione delle sue pale fornisce abbastanza elettricità per alimentare una casa media per un giorno.

Turbini eolici ad asse verticale

Un turbine meno efficiente e meno comune è il 'Turbine Eolico a Asse Verticale'. Viene definito asse verticale in quanto l'asse di rotazione è allineato verticalmente verso l'alto.

Non è possibile costruire turbine ad asse verticale a scale così grandi come quelle che vediamo nei parchi eolici con turbine ad asse orizzontale. La più grande turbina ad asse verticale mai costruita era l'"ÉOLE", alta 110 metri e da 3,8 MW, situata in Quebec, Canada. Tuttavia, il cuscinetto del rotore si è guastato nel 1993 sotto il peso di 880 tonnellate che doveva sostenere. Da allora non è più operativa e ora rappresenta una curiosità per i turisti. È altamente improbabile che qualcuno cerchi di costruire una turbina ad asse verticale più grande di questa a causa dei problemi ingegneristici legati al supporto diretto di pesi così elevati su un singolo cuscinetto.

Costruita per la flessibilità

Sebbene più piccole, il principale vantaggio delle turbine ad asse verticale rispetto a quelle ad asse orizzontale è che non devono ruotare intorno all'asse (yaw). Raccolgono energia eolica da tutte le direzioni in ogni momento. A causa della progettazione delle pale, esse ruotano sempre nello stesso senso, indipendentemente dalla direzione del vento.

Questo rende i turbini eolici ad asse verticale migliori nel catturare l'energia del vento sui tetti delle città e in aree costruite, dove il vento turbolento cambia direzione continuamente.

Turbini eolici ad asse verticale occupano meno spazio di un turbine orizzontale equivalente, e vengono spesso scelti per aree dove lo spazio è limitato.

Diversi tipi di VAWT

Esistono due progetti principali di turbini eolici ad asse verticale, chiamati Savonius e Darrieus. Questi progetti differiscono nel modo in cui catturano l'energia del vento.

VAWT Savonius

I turbini eolici verticali ad asse con stile Savonius utilizzano il principio di trascinamento per convertire l'energia del vento in energia rotazionale meccanica. Funzionano come un cucchiaio, modellati per intrappolare il vento che entra nel turbine, creando trascinamento e quindi forzandolo a ruotare (vedi diagramma, sotto). Indipendentemente dalla direzione da cui proviene il vento, colpirà sempre sia il fronte che la parte posteriore del cucchiaio - ma la parte arrotondata posteriore del cucchiaio crea meno trascinamento, permettendo così al turbine di ruotare. Tuttavia, ciò significa che un turbine eolico verticale Savonius può convertire al massimo il 15% dell'energia del vento in energia rotazionale meccanica.

Turbini VAWT Darrieus

I turbini eolici verticali a asse Darrieus utilizzano il principio di sollevamento per convertire l'energia del vento in energia rotazionale meccanica, ed sono più efficienti dei turbini verticali a asse Savonius. I turbini eolici verticali a asse Darrieus utilizzano pale che hanno una sezione trasversale a forma di ali di un aeroplano. Quando il vento passa sopra la pala, l'effetto aerofoil genera sollevamento, ed è questo che fa ruotare il turbine (vedi diagramma, sotto).

Le pale aerofoil di un turbine Darrieus possono essere dritte, curve o elicoidali in forma (vedi diagramma, sotto).

Questi sono tutti turbini Darrieus – le pale del rotore sono tutte le stesse aerofoil che generano sollevamento, ma in configurazioni diverse.

La configurazione elicoidale è forse la più interessante, poiché consente a una pala aerofoil più lunga di essere contenuta nello stesso area rotazionale di un turbine a pale rette, catturando così più vento e aumentando l'efficienza.

Altri disegni di turbine

Mentre la maggior parte dei mulini a vento rientra in queste due categorie principali (asse verticale e asse orizzontale), sono stati realizzati vari progetti sperimentali che si discostano dalla configurazione normale di questi due disegni.

L'Albero del Vento

L’‘Albero del Vento’ costruito dalla società parigina New World Wind, è basato su un mulino a vento ad asse verticale Savonius, ma è innovativo nel senso che utilizza molte piccole turbine disposte per assomigliare alle foglie su un albero, creando un elemento decorativo urbano.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless è una società spagnola che ha utilizzato un metodo completamente diverso per estrarre energia cinetica dal vento. Il loro ‘turbine’ non assomiglia affatto a un turbine convenzionale, poiché non ruota.

Il sistema Vortex Bladeless utilizza un'asta a forma di pilastro alto, che estrae energia dal vento utilizzando una tecnica chiamata risonanza indotta da vortice. Mentre il vento passa attraverso il pilastro, causa turbolenza dietro di esso, il che provoca al pilastro di oscillare o 'vibrare' avanti e indietro, ed è quest'energia meccanica che aziona un alternatore lineare, generando così una corrente elettrica.

Poiché non hanno pale rotanti, questo tipo di generatore eolico non rappresenta un pericolo per gli uccelli migratori o la fauna selvatica.

Turbine Azionate dai Veicoli

Un certo numero di aziende ha iniziato a sviluppare piccole turbine a verticale asse che possono essere posizionate nella mediana delle autostrade e delle superstrade. Piuttosto che essere azionate dal 'naturale' vento, è la turbolenza causata dal flusso costante di veicoli che passano ad alta velocità che fa ruotare queste turbine. Quindi, sebbene siano ancora turbine verticali convenzionali, è la situazione in cui vengono applicate che è innovativa.

Turbina eolica ad asse incrociato (CAWT)

La turbina eolica ad asse incrociato è un progetto sperimentale di turbina a verticale che utilizza sia pale orizzontali che verticali in una configurazione incrociata innovativa. Con tre pale verticali e sei pale orizzontali, può catturare l'energia del vento proveniente da direzioni sia orizzontali che verticali. Gli studi hanno rilevato che è 2,5 volte più efficiente di una turbina a verticale convenzionale nelle stesse condizioni di vento.

Turbina ad ascensione della Torre di Raffreddamento

Questa progettazione propone una nuova configurazione di una turbina verticale a forma di Darrieus, orientata orizzontalmente e posizionata in cima alle torri di raffreddamento. L'ascensione derivante dal flusso d'aria di scarico dalla torre, invece di essere dispersa nell'atmosfera, viene utilizzata per azionare la turbina.