Tipologie di Eolico
Ai fini di comparare le prestazioni delle differenti turbine ci occuperemo innanzitutto della conversione aerodinamico/meccanica, anche in considerazione del fatto che le perdite di questa conversione costituiscono generalmente quote significative sulle perdite totali di un generatore eolico.
Assumendo come teoria di partenza l’ipotesi di Betz, possiamo affermare che la potenza aerodinamica estraibile dal flusso eolico è espressa dalla seguente relazione:
P = ½ dCpSv3
dove:
d = densità dell’aria;
S = superficie equivalente spazzata dal rotore della turbina;
v = velocità del vento;
Cp = coefficiente di potenza che determina le perdite aerodinamiche.
Posto il limite di Betz alla conversione nella misura percentuale massima del 59% (per esattezza i 16/27 della potenza in ingresso) è facile intuire che questo parametro rappresenta la sfida dei costruttori.
Tralasciando tutti gli altri coefficienti (che si possono assumere come costanti una volta individuato il sito e la geometria della pala) ci concentreremo sul coefficiente di potenza (Cp), parametro che determina univocamente tutte le perdite aerodinamiche.
Questo parametro è determinato principalmente dalla geometria delle pale e della turbina, dall’angolo di inclinazione delle pale rispetto alla direzione del vento e infine dalla velocità del vento.
L’effetto del flusso d’aria risultante (v) sul profilo alare della pala è la creazione di due forze aerodinamiche definite come:
- portanza (Fp o “Lift”), perpendicolare alla direzione apparente del vento;
- resistenza (Fr o “Drag”), parallela alla direzione apparente del vento.
Componendo Fp e Fr, si ottiene la forza totale (F): la sua proiezione sul piano di rotazione, Fm, rappresenta la forza motrice, grazie alla quale la turbina ruota.
Ovviamente quando aumenta il coefficiente del rapporto tra Fp e Fr, migliora l’efficienza (in quanto aumenta la velocità di rotazione e quindi di produzione di energia).
In definitiva il coefficiente di potenza è da considerarsi strettamente correlato con il TSR (Teep Speed Ratio) che riassume il risultato di tutti i parametri di forma del generatore eolico (indicativo del rapporto fra la velocità del rotore della turbina e la velocità del vento).
Il TSR infatti è definito dalla formula seguente:
TSR = wr R/v
dove:
wr = velocità del rotore;
v = velocità del vento;
R = raggio del rotore.
Per una data pala eolica, il legame Cp-TSR dipende innanzitutto dall’angolo di Pitch (lo scostamento angolare tra il piano di rotazione dell’asse della pala e la corda massima della sezione della stessa).
Per valori bassi di TSR si ha una riduzione della portanza ed un aumento della resistenza fino al raggiungimento dello stallo.
Se si vuole mantenere il TSR costante (al variare della velocità del vento), occorre applicare dei correttivi alla risposta di velocità di rotazione delle pale (obiettivo che viene in genere gestito da software o da dispositivi meccanici di controllo).
Esiste infatti un unico valore di TSR per cui l’efficienza di conversione è massima, indipendentemente dal tipo di pala.
Sostanzialmente si può affermare che la ricerca di un TSR ottimale dipende dalla scelta del numero di pale "n" di cui è composto l'aerogeneratore: minore è il numero di pale, più velocemente devono ruotare le pale stesse per estrarre la massima potenza dal vento.
Come si può intuire, una volta conosciuta la velocità del vento, essendo il raggio della pala un dato noto, il TSR esprime univocamente la velocità di rotazione della turbina stessa.
Lo studio fin qui condotto ci aiuta a comprendere che il parametro che ci interessa risiede nella risposta della nostra turbina eolica alla forza del flusso eolico (maggiore sarà la risposta, in termini di maggiore velocità del rotore, maggiore sarà il valore di conversione della forza eolica in energia elettrica).
Nelle turbine ad asse orizzontale (a parità di vento e coppia resistente) è sufficiente aumentare il numero delle pale per variare la risposta della velocità del rotore e quindi di conseguenza il parametro TSR.
Ciononostante, la configurazione con 3 pale è quella che ha avuto maggior successo: essa rappresenta infatti il punto di massima efficienza, ovvero la coincidenza fra l’obiettivo di non perturbare troppo il flusso d’aria (che deve rimanere quanto più laminare possibile) e la capacità di generare coefficienti di potenza elevati (in più consente di distribuire in modo più uniforme le forze che agiscono sui cuscinetti dell’albero).
In queste turbine, generalmente la curva di potenza cresce (dal superamento della velocità di cut-in) con il cubo rispetto alla velocità del vento: poi, quando il coefficiente di potenza moltiplicato per gli altri fattori comincerebbe a decrescere (velocità pari a circa 12 m/s), il controllo remoto della turbina modifica il TSR al fine di mantenere il Cp al massimo valore possibile (fino alla velocità di cut-out).
Nelle turbine ad asse verticale la teoria deve tener conto di altri fattori.
In particolare pesa il fatto che, indipendentemente da dove provenga il flusso eolico e da come è strutturata la turbina, una parte di essa ruoterà in direzione opposta al vento e una a favore.
Questa semplice considerazione è alla base del minore rendimento aerodinamico di questa tipologia di turbine rispetto a quelle ad asse orizzontale.
In questo caso la potenza è espressa dalla seguente formula:
P = ½ dCpHDv3
dove:
d = densità dell’aria;
Cp = coefficiente di potenza che determina le perdite aerodinamiche;
H = altezza della turbina dal mozzo;
D = diametro massimo delle pale della turbina;
v = velocità del vento.
I vantaggi di queste macchine, individuabili soprattutto nella diversa geometria e nella loro capacità di assorbire meglio i venti turbolenti, sono modesti rispetto agli svantaggi.
In genere si annotano:
- un più basso coefficiente di potenza;
- complicazioni meccaniche derivanti dall’assetto verticale (dalle oscillazioni di coppia alla difforme distribuzione della forza centripeta lungo l’albero motore che si traducono in un sovradimensionamento di tutta la macchina);
- una manutenzione maggiore visti i maggiori sforzi meccanici;
- la difficoltà all'avviamento della turbina dipendente dall’angolo di attacco (che a volte necessita di un aiuto per partire);
- un costo e una dimensione maggiori (a parità di kWh prodotti).
In conclusione è opinione comune che le turbine ad asse orizzontale hanno prestazioni mediamente superiori rispetto a quelle ad asse verticale.
Le uniche nicchie di mercato dove possono inserirsi le turbine ad asse verticale sono quelle applicazioni nelle quali è richiesta compattezza a basso impatto visivo, laddove il rumore è una variabile fondamentale o laddove la geometria d’installazione lo imponga.
Viceversa, laddove l’installazione è prevista in luoghi con venti turbolenti e con direzioni sempre in cambiamento, le turbine ad asse orizzontale potrebbero accusare perdite di allineamento al flusso ventoso (anche vicine al 15-20%) e potrebbe risultare addirittura vantaggioso utilizzare quelle ad asse verticale.