Turbina eolica

Una turbina eolica è un rotore di pale lunghe, sagomate come ali, che il vento fa girare e che aziona un generatore elettrico in cima a una torre. Le piccole caricano batterie; le grandi, con rotori di oltre cento metri di diametro, immettono energia in rete attraverso un trasformatore.

Che cos’è

Una turbina eolica è un mulino a vento costruito per produrre elettricità: il rotore fa girare un albero, e l’albero aziona un generatore. La macchina disegnata qui ha la disposizione di quasi tutte le grandi turbine di oggi. Tre pale snelle (1) stanno controvento davanti a una torre d’acciaio (7), e la navicella in cima contiene la catena di trasmissione e ruota per seguire il vento.

Come funziona

La potenza del vento è P = ½·ρ·A·v³, dove ρ è la densità dell’aria, circa 1,2 kg/m³, A l’area spazzata dal rotore e v la velocità del vento. Un rotore di 3 metri di diametro spazza circa 7,1 m². A 6 m/s il vento che lo attraversa porta ½ × 1,2 × 7,1 × 6³ ≈ 920 watt; a 12 m/s otto volte tanto, circa 7,4 kW. Per questo le turbine stanno su torri alte, dove il vento soffia più forte.

Nessun rotore può prendersi tutta quella potenza. Ricava energia rallentando l’aria, ma l’aria rallentata deve pur defluire dietro di lui, altrimenti non ne arriverebbe di nuova. Intorno al 1920 il fisico tedesco Albert Betz dimostrò che la quota massima è 16/27, cioè il 59,3%. Le turbine reali ne catturano in genere il 35–45% nel loro campo di funzionamento; un grande rotore moderno sfiora il 48% nel punto di lavoro migliore, e moltiplicatore e generatore perdono ancora qualcosa.

La sezione della pala è un’ala. È svergolata lungo la sua lunghezza perché la punta va molto più veloce della radice.

Le pale moderne sono profili alari e lavorano per portanza, come l’ala di un aereo. Muovendosi veloce attraverso il vento, la pala incontra aria che arriva soprattutto di lato, e la portanza che nasce sul suo profilo la spinge nel senso di rotazione. Il rapporto di velocità periferica, cioè la velocità della punta divisa per quella del vento, vale circa 7 sulle turbine tripala collegate alla rete: con vento a 10 m/s le punte viaggiano a circa 70 m/s.

Nel mozzo (2) ogni pala è montata in un grande cuscinetto che permette di ruotarla sul proprio asse. Questa regolazione del passo permette al rotore di catturare il più possibile sotto la velocità nominale del vento e di limitare la potenza al di sopra. La turbina parte alla velocità di avviamento, circa 3–5 m/s, e raggiunge la piena potenza alla velocità nominale. Oltre la velocità di arresto, circa 25–29 m/s, mette le pale in bandiera, il rotore rallenta e un freno lo blocca. Una banderuola sulla navicella segnala la direzione del vento, e i motori di imbardata (6) fanno ruotare la navicella su una corona dentata, come faceva la ventola di orientamento su un mulino.

Sulle macchine grandi l’albero principale (3) gira a circa 8–20 giri al minuto. In una trasmissione classica, un moltiplicatore (4) accelera questo moto di circa cento volte per il generatore (5), che gira a più di mille giri al minuto. Altri modelli usano un generatore a media velocità con meno ingranaggi, oppure fanno a meno del moltiplicatore con un generatore grande e lento a molti poli magnetici. L’elettronica di potenza adatta la corrente alla frequenza della rete, e un trasformatore elevatore alza la tensione.

Come si costruisce

Una piccola turbina può caricare una batteria al piombo da 12 volt. Costruitela seguendo un progetto pubblicato e collaudato che specifichi pale, palo e protezione dalla fuga di giri; i passi qui sotto mostrano che cosa deve coprire un progetto del genere. Informatevi prima sulle norme edilizie locali e parlatene con i vicini.

Scegliere il sito. Vicino al suolo il vento è debole e turbolento. Una regola diffusa vuole la parte bassa del rotore almeno 9 metri sopra qualsiasi ostacolo entro 90 metri. Un anemometro all’altezza prevista dà una prima idea in qualche settimana; un anno intero mostra le stagioni.

Scegliere il generatore. Un motore in corrente continua a magneti permanenti, per esempio quello di un tapis roulant, funziona da generatore. Fatelo girare con un trapano a velocità note, con un carico da 12 volt collegato, e misurate tensione e corrente: deve fornire una corrente utile sopra circa 14 volt a qualche centinaio di giri al minuto, una velocità che il rotore può raggiungere.

Pale ricavate da un tubo di plastica, un motore di tapis roulant e una coda di lamiera.

Fare il rotore. I progetti di piccole macchine ricavano spesso le pale da un tubo di plastica o le intagliano in un legno leggero a fibra dritta. Rispettate il tipo di tubo, lo spessore di parete e la forma delle pale del progetto: le pale di tubo si affaticano e possono criccarsi alla radice. Serrate la radice di ogni pala tra due piastre metalliche sul mozzo, equilibrate il rotore finché resta fermo in qualsiasi posizione e sostituite una pala alla prima crepa. Un rotore di 1,1 metri di diametro riceve circa 70 watt di vento a 5 m/s; 10–20 watt alla batteria sono una stima grossolana che solo una misura può confermare.

Palo e coda. Una coda piatta su un braccio tiene il rotore rivolto al vento. Montate il motore su un perno in cima a un tubo d’acciaio con piede incernierato e ancorate i tiranti a una distanza dal piede compresa tra metà e tre quarti dell’altezza del palo, così da poterlo abbattere fino a terra. Usate il palo del progetto, ancoraggi dimensionati per il carico e un verricello a mano per sollevarlo.

Proteggerla dalla fuga di giri. Con una raffica, o senza carico elettrico, un rotore può girare fino a rompersi. Una turbina all’aperto ha bisogno di una protezione automatica: molte piccole turbine hanno una coda incernierata che ruota il rotore fuori dal vento forte; altre si affidano allo stallo o a pale a passo variabile. Senza questa protezione una turbina non deve girare all’aperto; e anche con essa, fermate e abbassate una piccola turbina prima di una tempesta.

Il cablaggio. Collegate il generatore alla batteria attraverso un fusibile e un diodo di blocco, che impedisce alla batteria di far girare il motore. Un regolatore a deviazione, dimensionato per la corrente del generatore e collegato secondo il suo schema, sorveglia la tensione della batteria e manda la potenza a un carico di zavorra quando è piena: resistenze in grado di assorbire tutta la potenza alla tensione della batteria, perché una stufetta da rete a 12 volt non assorbe quasi nulla. Un interruttore che cortocircuita il generatore rallenta il rotore con vento debole ma non lo blocca; legate una pala al palo prima di toccare il rotore.

Per un modello da tavolo, mettete un motorino con pale di cartoncino davanti a un ventilatore e misurate la tensione a ogni velocità.

Sicurezza. Le punte delle pale vanno molto più veloci di quanto sembri: non state mai nel piano del rotore. Non salite mai su un palo finché la turbina può girare; fermatela e abbattete il palo. Tenete tutti a una distanza maggiore dell’altezza del palo quando lo alzate o lo abbassate, e tenete il palo e la sua zona di caduta ben lontani dalle linee elettriche aeree. Le batterie al piombo contengono acido solforico e durante la carica liberano idrogeno esplosivo: tenetele in una cassetta ventilata, lontano da scintille e dalle stanze abitate. Un cortocircuito sui morsetti di una batteria può fondere i cavi e appiccare un incendio. Non collegate mai da soli una turbina all’impianto di un edificio o alla rete: servono un inverter omologato e un elettricista qualificato.

Storia ed evoluzione

Nel luglio 1887 James Blyth, professore a Glasgow, eresse un mulino con quattro vele di tela accanto alla sua casa per le vacanze a Marykirk, in Scozia. La sua dinamo caricava accumulatori che illuminavano la casa. Già nel 1883 a Vienna era stata esposta una dinamo mossa dal vento, ma quella di Blyth è la prima ben documentata in uso quotidiano.

La macchina di Brush a Cleveland: 144 pale di cedro su un rotore di 17 metri.

Nell’inverno 1887-88 Charles F. Brush costruì a Cleveland, in Ohio, una dinamo eolica con 144 pale di cedro su una torre di 18 metri. Caricava 12 batterie. La sua dinamo è di solito indicata come da 12 kW, anche se un articolo di giornale successivo parla di 1,2 kW. Dal 1891 Poul la Cour sperimentò turbine eoliche ad Askov, in Danimarca; più tardi formò anche elettricisti rurali che le costruissero.

Le fattorie americane comprarono turbine da carica in gran numero; i soli fratelli Jacobs ne costruirono circa 20.000 prima di chiudere nel 1956, quando la rete raggiunse le campagne. Il 19 ottobre 1941 la turbina bipala Smith-Putnam, nel Vermont, da 1,25 MW, fu collegata alla rete; nel 1945 perse una pala. Nel 1957 Johannes Juul costruì a Gedser, in Danimarca, una turbina da 200 kW con tre pale, regolazione per stallo e generatore asincrono. Questo «concetto danese» diede forma alle turbine costruite dalla fine degli anni Settanta.

Nel 2025 in Cina è stato montato per le prove un prototipo da 26 MW con un rotore di 310 metri. Quell’anno il vento ha prodotto l’8,5% dell’elettricità mondiale.