Centrali eolici: tipologie, design, vantaggi

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

L'energia eolica è tutt' altro che una nuova branca dell'approvvigionamento energetico, tuttavia, nelle condizioni attuali, sta diventando elementi sempre più evidenti di una promettente direzione per un ulteriore sviluppo. È ancora difficile parlare di concetti universali per l'implementazione tecnica dei generatori eolici, ma i progressi nell'uso di soluzioni ingegneristiche individuali suggeriscono che nel prossimo futuro apparirà un unico modello strutturale unificato. Allo stesso tempo, nel mondo vengono utilizzati diversi tipi di turbine eoliche, ognuna delle quali ha i suoi punti di forza.

Principio generale di funzionamento delle turbine eoliche

Come la maggior parte delle moderne fonti di energia alternativa, la turbina eolica funziona grazie alla forza che agisce come risultato di un processo naturale. Si tratta di flussi di vento derivanti da un riscaldamento irregolaresuperficie terrestre dal sole. Quasi tutte le turbine eoliche funzionano secondo il seguente principio: i flussi d'aria fanno ruotare la ruota su un apposito albero a pale, trasmettendo così la coppia al generatore o al pacco batterie. In condizioni di stabilità e sufficiente forza di movimento dell'aria, i mulini a vento per la generazione di elettricità sono in grado di fornire un'efficienza del 45-50%. È proprio la variabilità del vento e la sua forza che determina l'ampia varietà di modelli di aerogeneratori, calcolati anche in base a specifiche condizioni climatiche di utilizzo.

Quali sono i principali vantaggi delle turbine eoliche?

Valutare l'efficienza delle turbine eoliche può essere sia rispetto alle fonti energetiche tradizionali, sia sullo sfondo dei generatori che funzionano con risorse rinnovabili gratuite. I vantaggi più evidenti di tali sistemi, che danno speranza per il loro sviluppo di successo in futuro, sono i seguenti fattori:

• L'energia eolica stessa non è solo rinnovabile, ma è anche disponibile per l'accumulo e l'elaborazione.
• Vantaggio economico. Valutazioni univoche su specifici indicatori economici non possono ancora essere dovute alla varietà di sistemi che operano con prestazioni diverse. Ma possiamo parlare degli eccezionali risultati dimostrati dai singoli progetti. Ad esempio, quanto costa un kilowatt di elettricità da un grande mulino a vento offshore? Possiamo parlare della gamma di 2-12 rubli. per 1 kWh.
• Ecologico. Il funzionamento delle turbine eoliche non prevede effetti nociviemissioni di inquinanti atmosferici.
• Compatto. L'installazione di una turbina eolica, anche in formato industriale, non può essere paragonata alle tradizionali centrali elettriche. Ciò è in gran parte dovuto all'autonomia e all'indipendenza di tali sistemi dalle comunicazioni e dalle risorse ausiliarie.

Generatori ad asse orizzontale

Lo schema di progettazione di tali mulini a vento prevede la presenza di un generatore elettrico, un cambio, delle pale e una torre con un telaio. La configurazione delle pale è realizzata in modo tale che l'aria fluisca nell'imbuto, creando un momento torcente. Una condizione importante per il funzionamento di tali mulini a vento per la generazione di elettricità è la capacità di adattarsi alle caratteristiche del movimento dei flussi (direzione e forza). Per questo, le strutture sono dotate di meccanismi per ruotare e inclinare le lame rispetto alla superficie terrestre. Nei modelli più avanzati vengono utilizzati anche controller con controllo automatico. Per quanto riguarda l'implementazione della ruota del vento, la configurazione a tre pale è più spesso utilizzata negli schemi orizzontali. Inoltre, per aumentare le prestazioni dei generatori, gli ingegneri tendono ad aumentare le dimensioni della parte funzionale ricevente, il che, ad esempio, spiega l'attuale tendenza al passaggio dalla plastica e dai metalli leggeri ai costosi elementi compositi nella produzione di strutture.

Generatori ad asse verticale

Tali generatori hanno un vantaggio significativo rispetto alle strutture orizzontali,che consiste nell'assenza della necessità di ulteriori mezzi di monitoraggio e controllo dell'impianto. Cioè, durante il funzionamento, un mulino a vento ad asse verticale non si adatta in alcun modo al movimento dei flussi. Questa caratteristica di interazione con le masse d'aria riduce contemporaneamente la tensione nelle pale del generatore eolico e riduce i carichi giroscopici. Il generatore ad ingranaggi, che costituisce il motore dell'impianto, può essere posizionato alla base della torre della struttura senza rischio di danneggiamento o guasto. Ma perché, con i vantaggi descritti, le installazioni verticali non hanno sostituito i mulini a vento completamente orizzontali? Sfortunatamente, questi modelli presentano anche notevoli svantaggi. Poiché la ruota eolica non è guidata dai flussi del vento e opera sempre in un intervallo ristretto di intervalli di acquisizione dell'energia, le prestazioni del generatore sono logicamente ridotte. Pertanto, per mantenere una potenza sufficiente dei mulini a vento verticali, è necessario il loro uso massiccio che copra grandi aree, il che non è sempre possibile.

Design basati sul rotore Darrieus

I generatori eolici con girante verticale si basano sul design del rotore Savonius o Darrieus. Ma questo gruppo ha anche le sue variazioni e modifiche moderne. Lo sviluppo recente più promettente è la turbina elicoidale Gorlov, creata nel 2001. È una sorta di continuazione del concetto di rotore Darrieus, ma in una forma più ottimizzata. Le lame verticali a spirale consentono di generare energia dall'acqua e dai flussi d'aria con un'attività minima. Oggi questi generatorisono utilizzati sia in parchi eolici specializzati che come parte di centrali idroelettriche.

Generatori eolici con amplificatori di flusso

Anche, in qualche modo, una continuazione del design classico dei mulini a vento, ma adattato alle attuali condizioni operative high-tech. Le modifiche con amplificatori di flusso si distinguono per la presenza di una o più grondaie, progettate per concentrare i flussi d'aria. Gli elementi aerodinamici a forma di cono sotto forma di quelle stesse grondaie raccolgono i flussi su una vasta area, orientandoli in un punto di direzione e aumentando così la velocità del sistema di lame. La difficoltà dell'utilizzo di turbine eoliche con amplificatori di flusso è che richiedono l'uso di un gruppo elementare aggiuntivo. Inoltre, è possibile ottenere un aumento significativo della produttività in tali sistemi solo collegando fonti di energia ausiliarie, il che non è sempre giustificato economicamente.

Turbine eoliche senza ingranaggi

In linea con l'idea di ottimizzazione strutturale, è apparsa anche una variante di impianto eolico senza cambio. Viene invece utilizzato un canale anulare, provvisto di un'asta metallica interna. Questo anello è installato attorno al bordo del rotore. Qui si trova anche un gruppo di magneti, che interagisce con un'asta di metallo, contribuendo così alla generazione di corrente. Le prestazioni degli aerogeneratori senza riduttore con un diametro del rotore di circa 200 cm possono raggiungere i 1500 kWhnell'anno. Il principale vantaggio di questo progetto è la riduzione delle perdite di energia che si verificano naturalmente nel funzionamento di generatori dotati di riduttori. Ma per questo vantaggio devi pagare con i limiti di velocità. Affinché l'unità entri in un flusso di lavoro ottimale, è necessaria una velocità del flusso di almeno 2 m/s.

Caratteristiche delle turbine eoliche industriali

I mulini a vento industriali presentano due differenze fondamentali: grandi dimensioni e potenza elevata. Sia i vantaggi che gli svantaggi delle stazioni di questo tipo derivano da queste caratteristiche. Per quanto riguarda la struttura, basti dire che l' altezza dei moderni mulini a vento industriali può raggiungere i 150-200 m e l'apertura delle pale può superare i 100 m. L'elevata potenza richiede anche la complessità dell'infrastruttura funzionale. Quindi, per controllare il processo di conversione dell'energia, vengono utilizzati i controller dei generatori eolici, che assicurano che venga presa in considerazione la carica attuale del pacco batteria. Inoltre, l'imbottitura elettrica di tali installazioni include inverter e sistemi di protezione da cortocircuito.

Caratteristiche delle turbine eoliche domestiche

I mulini a vento più semplici non solo possono essere utilizzati a casa, ma anche assemblati a mano. Di norma, si tratta di installazioni di piccole dimensioni con un' altezza non superiore a 10 m, in grado di funzionare con una potenza di 0,5-5 kW. Come fonte di energia passiva per gli elettrodomesticio singoli gruppi di dispositivi elettrici, questa opzione si giustifica. Tuttavia, le turbine eoliche compatte sono oggi utilizzate in gran numero dalle grandi aziende per alimentare gli impianti di produzione. Sulla base di impianti di mini-mulini a vento, si formano sistemi sufficientemente produttivi e affidabili in grado di competere con generatori singoli ad alta potenza.

Caratteristiche delle turbine eoliche offshore

La popolarità di questo tipo di mulini a vento è dovuta a numerosi vantaggi rispetto alle stazioni che si trovano a terra. Si tratta principalmente di condizioni di lavoro più stabili, poiché i flussi del vento non sono ostruiti lontano dalla costa. Allo stesso tempo, le strutture delle turbine eoliche offshore sono divise in due gruppi: di supporto e galleggianti. I primi sono installati in acque poco profonde con un classico appoggio nel terreno sott'acqua. Le stazioni galleggianti, rispettivamente, hanno la propria piattaforma galleggiante con fissaggio mediante ancore e altri dispositivi marini.

Combinazione di strutture di turbine eoliche con strutture edilizie

C'è anche un gruppo molto promettente di mulini a vento che sono letteralmente integrati negli scafi dei grattacieli. Questa soluzione presenta due vantaggi: condizioni favorevoli per la "ricezione" dei flussi e una riduzione del percorso di consegna dell'energia elettrica, poiché la fonte finale di approvvigionamento sono solitamente i consumatori all'interno dell'edificio. Al momento, l'integrazione di turbine eoliche di questo tipo viene eseguita più spesso utilizzandospeciali cilindri aerodinamici che vengono montati sui tetti dei grattacieli. Si sta sviluppando anche il concetto di mini-eliche, che possono essere collocate in qualsiasi parte di un alto cantiere. I dispositivi vengono letteralmente integrati nelle pareti, dopodiché vengono collegati al sistema di alimentazione generale, erogando una piccola ma stabile quantità di energia.

Conclusione

Negli ultimi anni, l'interesse per le turbine eoliche è aumentato in modo significativo in Russia. Grandi stazioni con una capacità fino a 30-50 MW vengono messe in funzione periodicamente in diverse regioni. Per il nostro Paese i mulini a vento sono particolarmente utili perché ci permettono di fornire energia a regioni remote dove al momento non c'è la possibilità di organizzare altri mezzi di approvvigionamento energetico. Anche il segmento dei piccoli impianti eolici si sta sviluppando attivamente. In Russia sono diventati molto popolari i singoli sistemi di alimentazione con una capacità di 1-5 kW. Allo stesso tempo, gli sviluppatori non rifiutano di combinare i principi di funzionamento dei mulini a vento con i motori a combustione interna. I successi in questa direzione sono dimostrati, in particolare, dai progetti wind-diesel. È ancora difficile dire quanta energia eolica sarà richiesta in Russia nei prossimi decenni, poiché le posizioni delle fonti energetiche tradizionali sono ancora forti. Ma è probabile che le tendenze nella transizione verso l'energia alternativa in tutto il mondo stimoleranno l'industria russa a esplorare attivamente tali aree.