Perché non più lame?
Le turbine eoliche sono costruite per catturare l’energia cinetica (movimento) del vento. La domanda sorge spontanea perché le moderne turbine eoliche non sono costruite con molte pale del rotore, come i vecchi mulini a vento “americani”. Turbine con molte pale o pale molto larghe, cioè turbine con un rotore molto solido, tuttavia, saranno soggette a forze molto grandi, quando il vento soffia a una velocità di uragano (ricorda che il contenuto energetico del vento del vento varia con la terza potenza della velocità del vento).
I produttori di turbine eoliche devono certificare che le loro turbine sono costruite, in modo che possano resistere a venti estremi che si verificano, ad esempio, durante 10 min una volta ogni 50 anni. Per limitare l’influenza dei venti estremi, i produttori di turbine preferiscono quindi generalmente costruire turbine con poche pale lunghe e strette. Per compensare la ristrettezza delle pale rivolte verso il vento, i produttori di turbine preferiscono lasciare che le turbine ruotino relativamente rapidamente.
Perché non un numero pari di lame?
I moderni ingegneri di turbine eoliche evitano di costruire macchine di grandi dimensioni con un numero pari di pale del rotore. La ragione più importante è la stabilità della turbina. Un rotore con un numero dispari di pale del rotore e almeno tre lame può essere considerato simile a un disco quando si calcolano le proprietà dinamiche della macchina.
Un rotore con un numero pari di pale darà problemi di stabilità per una macchina con una struttura rigida. La ragione è che nel momento stesso in cui la lama più alta si piega all’indietro, perché ottiene la massima potenza dal vento, la lama più bassa passa nell’ombra del vento di fronte alla torre.
La maggior parte delle turbine eoliche moderne utilizzate per la generazione di elettricità hanno tre pale, anche se alcune ne hanno due o anche una. Tre pale hanno il particolare vantaggio che il momento polare di inerzia rispetto all’imbardata è costante ed è indipendente dalla posizione azimutale del rotore. Questa caratteristica contribuisce a un funzionamento relativamente regolare anche durante lo sbadiglio. Un rotore a due pale, tuttavia, ha un momento di inerzia inferiore quando le pale sono verticali rispetto a quando sono orizzontali. Questo “squilibrio” è uno dei motivi per cui la maggior parte delle turbine eoliche a due pale utilizza un rotore oscillante. L’utilizzo di più di tre pale potrebbe anche comportare un rotore con un momento di inerzia indipendente dalla posizione, ma più di tre pale sono raramente utilizzate. Ciò è dovuto principalmente ai costi più elevati che sarebbero associati alle lame aggiuntive.
Il concetto danese a 3 pale
La maggior parte delle turbine eoliche moderne sono a tre pale con la posizione del rotore mantenuta controvento (sul lato ventoso della torre) utilizzando motori elettrici nel loro meccanismo di imbardata. Questo disegno è solitamente chiamato il concetto classico danese e tende ad essere uno standard rispetto al quale vengono valutati altri concetti. La stragrande maggioranza delle turbine vendute nei mercati mondiali ha questo design.
Il design di base è stato introdotto per la prima volta con la rinomata turbina eolica Gedser. Un’altra caratteristica è l’uso di un generatore asincrono.
A due pale (in bilico) concetto
A due pale eoliche disegni hanno il vantaggio di risparmiare il costo di una lama del rotore e il suo peso, naturalmente. Tuttavia, tendono ad avere difficoltà a penetrare nel mercato, in parte perché richiedono una maggiore velocità di rotazione per produrre la stessa produzione di energia. Questo è uno svantaggio sia per quanto riguarda il rumore che l’intrusione visiva. Ultimamente, diversi produttori tradizionali di macchine a due pale sono passati a disegni a tre pale.
Le macchine a due e una pala richiedono una progettazione più complessa con un rotore incernierato (mozzo oscillante) come mostrato nella seconda immagine, cioè il rotore deve essere in grado di inclinare per evitare urti troppo pesanti alla turbina quando una pala del rotore passa la torre. Il rotore è quindi montato su un albero perpendicolare all’albero principale e che ruota insieme all’albero principale. Questa disposizione può richiedere ammortizzatori aggiuntivi per evitare che la lama del rotore colpisca la torre.
One-bladed concetto
One-bladed turbine eoliche esistono e fanno risparmiare il costo di un altro rotore lama. Se qualcosa può essere costruito, gli ingegneri lo faranno. Le turbine eoliche a una lama non sono molto diffuse commercialmente, tuttavia, perché gli stessi problemi menzionati nella progettazione a due pale si applicano in misura ancora maggiore alle macchine a una lama.
Oltre alla maggiore velocità di rotazione e ai problemi di rumore e intrusione visiva, richiedono un contrappeso da posizionare sull’altro lato del mozzo dalla lama del rotore per bilanciare il rotore (guarda la seconda figura). Questo ovviamente nega il risparmio di peso rispetto a un design a due pale. Il fattore estetico dell’aspetto dello squilibrio è un’altra considerazione. Il vantaggio presunto è quindi che la turbina può funzionare ad un rapporto relativamente alto di velocità della punta e che il costo dovrebbe essere più basso a causa della necessità di una sola lama.
Video frames
– Two blades: general explanation
– Three blades: general explanation