Tipi di turbine eoliche HAWT, VAWT e altro ancora spiegati

La stragrande maggioranza di turbine eoliche quelli visti in giro per la contea nei parchi eolici (sia on-shore che off-shore) sono i modelli standard a 3 pale. Tuttavia, esistono diversi stili/tipi di turbine e il modo in cui sfruttano l'energia cinetica del vento è piuttosto diverso.

I due tipi principali di turbine eoliche sono quelle ad asse orizzontale e quelle ad asse verticale. Turbine eoliche ad asse orizzontale hanno l'asse rotante orientato orizzontalmente. Di solito sono dotate di 3 pale e sono progettate per essere rivolte verso il vento. Le turbine eoliche ad asse verticale hanno l'asse rotante allineato verticalmente e sono progettate per sfruttare l'energia cinetica nella direzione opposta.

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

Il tipo più comune di turbina eolica è la "turbina eolica ad asse orizzontale". Viene definita ad asse orizzontale in quanto l'asse rotante è disposto orizzontalmente (vedere il diagramma di seguito)

Le turbine eoliche ad asse orizzontale devono puntare direttamente verso il vento per funzionare alla massima efficienza, e l'intera testa è progettata per girare verso il vento. Quando il vento cambia direzione, anche la testa deve girare (o "imbardare") per rimanere puntata verso il vento.

Le turbine eoliche ad asse orizzontale vengono scelte per i parchi eolici offshore e on-shore, dove il territorio è prevalentemente pianeggiante e aperto, perché funzionano in modo più efficiente rispetto alle turbine ad asse verticale nelle aree in cui il vento non è turbolento.

Costruito per le dimensioni

Sebbene ci siano molte turbine eoliche ad asse orizzontale di piccole dimensioni disponibili in commercio per i proprietari di case attenti all'energia, uno dei loro grandi vantaggi è che si adattano bene alla produzione e possono essere costruite MOLTO GRANDI. Questo è un altro motivo per cui vengono utilizzate per i parchi eolici. È molto più conveniente costruire e far funzionare una turbina da 10 megawatt (MW) rispetto a cinque turbine da 2 MW.

La turbina eolica più grande al mondo (nell'estate 2021) è la turbina Vestas V236, con una potenza nominale di 15 megawatt (MW). Ha un diametro del rotore delle pale di 236 m, più del doppio dell'altezza della Statua della Libertà! Una singola rotazione delle sue pale fornirà abbastanza elettricità per alimentare una famiglia media per un giorno.

Turbine eoliche ad asse verticale

Una turbina meno efficiente e meno comune è la "Turbina eolica ad asse verticale". È definita ad asse verticale perché l'asse rotante è allineato verticalmente verso l'alto.

Non è possibile costruire turbine ad asse verticale su larga scala come quelle che vediamo nei parchi eolici ad asse orizzontale. La più grande turbina eolica ad asse verticale mai costruita è stata la turbina "ÉOLE" da 110 MW e 3.8 m di altezza nel Quebec, Canada. Tuttavia, il cuscinetto del rotore si è rotto nel 1993 sotto il peso di 880 tonnellate che doveva sostenere. Da allora non è più operativa e ora è una curiosità per i turisti. È altamente improbabile che qualcuno provi a costruire una turbina ad asse verticale più grande di questa a causa dei problemi di ingegneria associati al supporto diretto di pesi così pesanti su un singolo cuscinetto.

Costruito per la flessibilità

Sebbene più piccole, il vantaggio principale delle turbine eoliche ad asse verticale rispetto a quelle ad asse orizzontale è che non hanno bisogno di imbardare. Raccolgono energia eolica da tutte le direzioni in ogni momento. Grazie al modo in cui sono progettate le pale, girano sempre nella stessa direzione, indipendentemente da dove provenga il vento.

Ciò rende le turbine eoliche ad asse verticale più adatte a catturare l'energia del vento sui tetti delle città e nelle aree edificate, dove il vento turbolento cambia continuamente direzione.

Turbine eoliche ad asse verticale occupano meno spazio di una turbina ad asse orizzontale di potenza equivalente e sono spesso scelte per aree in cui lo spazio è limitato.

Diversi tipi di VAWT

Esistono due principali design di turbine eoliche ad asse verticale, chiamate Savonius e Darrieus. Questi design sono piuttosto diversi nel modo in cui catturano l'energia eolica.

Macchine VAWT Savonius

Le turbine eoliche ad asse verticale in stile Savonius sfruttano il principio della resistenza per convertire l'energia eolica in energia rotazionale meccanica. Funzionano come una paletta, sagomata per intrappolare il vento che entra nella turbina, creando resistenza e costringendola quindi a ruotare (vedere il diagramma sotto). Indipendentemente dalla direzione da cui proviene il vento, colpirà sempre sia la parte anteriore che quella posteriore della paletta, ma la parte posteriore arrotondata della paletta crea meno resistenza, consentendo così alla turbina di ruotare. Tuttavia, ciò significa che una turbina eolica ad asse verticale Savonius può convertire al massimo solo il 15% dell'energia eolica in energia rotazionale meccanica.

Macchine VAWT di Darrieus

Le turbine eoliche ad asse verticale Darrieus sfruttano il principio di portanza per convertire l'energia eolica in energia rotazionale meccanica e sono più efficienti delle turbine ad asse verticale in stile Savonius. Le turbine eoliche ad asse verticale Darrieus utilizzano pale che hanno una sezione trasversale a forma di ala di aeroplano. Quando il vento passa sopra la pala, l'effetto del profilo alare crea portanza, ed è questo che fa ruotare la turbina (vedere il diagramma sotto).

Le pale alari di una turbina Darrieus possono avere forma dritta, curva o elicoidale (vedere lo schema seguente).

Si tratta di turbine Darrieus: le pale del rotore sono tutte uguali, con profili alari che creano portanza, ma con configurazioni diverse.

La configurazione elicoidale è forse la più interessante, poiché consente di contenere una pala alare più lunga nella stessa area di rotazione di una turbina a pale dritte, catturando così una quantità maggiore di vento e aumentando l'efficienza. 

Altri progetti di turbine

Sebbene la maggior parte delle turbine eoliche rientri in queste due categorie principali (asse verticale e asse orizzontale), sono stati condotti vari progetti sperimentali che si discostano dalla normale configurazione di questi due progetti.

L'albero del vento

Il "Wind Tree", costruito dall'azienda parigina New World Wind, si basa su una turbina eolica ad asse verticale Savonius, ma è innovativo perché utilizza numerose piccole turbine disposte in modo da assomigliare alle foglie di un albero, creando un elemento urbano decorativo.

Vortice senza lama

Vortex Bladeless è un'azienda spagnola che ha utilizzato un metodo completamente diverso per estrarre energia cinetica dal vento. La loro "turbina" non assomiglia affatto a una turbina convenzionale, poiché non ruota.

Il sistema Vortex Bladeless utilizza un albero alto a forma di pilastro, che estrae energia dal vento utilizzando una tecnica chiamata risonanza indotta da vortice. Quando il vento passa attraverso il pilastro, provoca una turbolenza dietro di esso, che fa oscillare o "vibrare" il pilastro avanti e indietro, ed è questa 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 per la fauna selvatica.

Turbine alimentate da veicoli

Diverse aziende hanno iniziato a sviluppare turbine eoliche ad asse verticale su piccola scala che possono essere posizionate nella corsia centrale di autostrade e superstrade. Invece di essere azionate dal vento "naturale", è la turbolenza causata dal flusso costante di veicoli che passano ad alta velocità a far ruotare queste turbine. Quindi, sebbene siano ancora turbine eoliche ad asse verticale convenzionali, è la situazione a cui vengono applicate a essere nuova.

Turbina eolica ad asse trasversale (CAWT)

La turbina eolica ad asse trasversale è un progetto sperimentale di turbina ad asse verticale che utilizza pale di turbina sia orizzontali che verticali in una nuova configurazione reticolata. Con tre pale verticali e sei pale orizzontali, può catturare l'energia eolica proveniente da direzioni sia orizzontali che verticali. Gli studi hanno scoperto che era 2.5 volte più efficiente di una turbina ad asse verticale convenzionale nelle stesse condizioni di vento.

Torre di raffreddamento Turbina a corrente ascendente

Questo progetto propone una nuova configurazione di una turbina eolica ad asse verticale Darrieus, orientata orizzontalmente e situata in cima alle torri di raffreddamento. La corrente ascensionale del flusso d'aria di scarico dalla torre, anziché essere dispersa nell'atmosfera, viene utilizzata per azionare la turbina.