Una turbina è una macchina che converte l'energia cinetica di un fluido rotante in lavoro utile o energia tramite un sistema di rotori. L'ingranaggio meccanico o l'induzione elettromagnetica consentono alle turbine di generare energia in questo modo. Esistono diversi tipi di turbine, ma quelle prevalenti sono classificate come turbine eoliche ad asse orizzontale e verticale. In questo articolo, imparerai tutto sulle turbine eoliche ad asse orizzontale, le loro funzioni e anche i tipi di turbine eoliche ad asse orizzontale.
Cos'è una turbina eolica ad asse orizzontale?
Il tipo di turbina eolica più diffuso attualmente in funzione è la turbina eolica ad asse orizzontale (HAWT). Le HAWT sono dotate di un rotore con pale aerodinamiche (ovvero profili alari) fissate ad esso; questo rotore può essere orientato sia nella direzione del vento che in quella opposta. Le turbine eoliche ad alta quota hanno in genere due o tre pale che ruotano a velocità molto elevate. Le pale coniche dei rotori sottovento consentono alla turbina di orientarsi autonomamente rispetto al vento, mentre i rotori sopravvento necessitano di un sistema di imbardata o di una pala di coda per aiutarli a orientarsi correttamente. Tuttavia, si è osservato che i rotori sottovento tendono a deviare dall'allineamento con il vento a basse velocità, con conseguente riduzione della produzione di energia a tali velocità.
Le HAWT sono dotate di alberi montati orizzontalmente che sono perpendicolari al terreno. Le HAWT, come le VAWT, possono avere due o tre pale. Finora, la HAWT a tre pale ha dimostrato di essere il design più efficace, tuttavia, sia il rotore a due pale che il rotore rivolto verso il vento hanno entrambi avuto un certo successo. La turbina della navicella può essere rivolta controvento (nella parte anteriore) o sottovento (nella parte posteriore). Non c'è bisogno di un sistema di orientamento meccanico nei dispositivi sottovento perché puntano sempre nella direzione del vento. Il continuo dondolio dovuto alle raffiche di vento è il più grande svantaggio poiché porta a una maggiore stanchezza. Ora impariamo a conoscere i tipi di turbine eoliche ad asse orizzontale.
Quali sono i tipi di turbine eoliche ad asse orizzontale?
Le turbine eoliche ad asse orizzontale hanno un design davvero efficace e sono piuttosto famose sul mercato. Come altre turbine eoliche, ci sono anche tipi di turbine eoliche ad asse orizzontale. I tipi sono i seguenti:
1. Turbina controvento
Il rotore di una turbina eolica a monte è installato sulla sommità della torre . L'obiettivo principale di questa turbina è impedire che il vento proietti un'ombra sul lato posteriore della torre. Grazie alla sua rigidità e al suo posizionamento arretrato rispetto alla torre, questa configurazione è attualmente impiegata nella maggior parte delle turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWT).
2. Turbina sottovento
Il rotore di una turbina sottovento è posizionato alla base della struttura . Questa particolare turbina convoglia il vento prima verso la torre e poi sulle pale del rotore. Poiché il rotore attraversa la zona d'ombra creata dalla torre, questa turbina eolica risente di alcune variazioni nella potenza del vento. In questo caso, le fluttuazioni della potenza del vento sono causate dalla posizione del rotore dietro la navicella della torre. Questo dovrebbe averti aiutato a comprendere le tipologie di turbine eoliche ad asse orizzontale.
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Qual è il principio di funzionamento delle turbine eoliche ad asse orizzontale?
Dopo aver compreso le tipologie di turbine eoliche ad asse orizzontale, analizziamo anche il principio di funzionamento di una turbina eolica ad asse orizzontale. L'energia del vento viene convertita in coppia dal rotore , che viene poi trasmessa a un albero a bassa velocità. La navicella protegge il riduttore, l'albero ad alta velocità e il generatore che riceve la potenza dall'albero a bassa velocità. Le pale sono fissate al rotore e all'albero. Quest'ultimo è chiamato albero a bassa velocità perché l'insieme rotante viene azionato dal vento a una velocità relativamente bassa, di soli 10-20 giri al minuto.
Per ottenere la frequenza di uscita desiderata di 60 Hz, l'albero a bassa velocità è collegato al riduttore, che è dotato di un sistema di ingranaggi che aumenta la velocità di rotazione dell'albero a circa 1,800 giri/min (o a 1,500 giri/min se la frequenza è di 50 Hz). Per questo motivo, l'albero che esce dal riduttore viene spesso chiamato albero ad alta velocità. Infine, l'albero ad alta velocità è accoppiato al generatore , che trasforma il moto rotatorio in corrente alternata. Se questa velocità viene utilizzata per far ruotare direttamente il generatore, la frequenza della corrente alternata in uscita è precisamente proporzionale alla velocità di rotazione del generatore.
Le turbine eoliche a trasmissione diretta, ad esempio, utilizzano in genere un generatore DC anziché uno AC e non hanno un riduttore. Non è chiaro se un convertitore AC-DC faccia parte di queste (che può essere posizionato alla base della torre). Un controllore logico programmabile (PLC) o un computer viene utilizzato come controller nelle turbine industriali. Le letture dell'anemometro vengono utilizzate dal controller, che quindi decide in che direzione deve essere rivolta la turbina eolica, quanta energia deve raccogliere e se la turbina deve o meno accelerare durante i venti forti. Questo è il principio di funzionamento della turbina eolica ad asse orizzontale. Dopo questo, esploriamo i componenti della turbina eolica ad asse orizzontale.
Cosa sono i componenti delle turbine eoliche ad asse orizzontale?
I componenti di una turbina eolica ad asse orizzontale includono una base, una torre, una navicella, un generatore, pale del rotore, un mozzo, un albero, riduttori e anemometri.
1. Base: La torre e gli altri componenti di una turbina eolica pesano un numero considerevole di tonnellate; pertanto, devono essere fissati saldamente a una base solidissima.
2. Torre: una struttura alta che sostiene il mozzo del rotore e la navicella. Può essere realizzata in acciaio reticolare, cemento o acciaio tubolare. Un aspetto fondamentale nella progettazione delle turbine eoliche ad asse orizzontale è l'altezza della torre. Aumentando l'altezza della torre, le turbine possono assorbire più energia eolica e produrre più elettricità, poiché la velocità del vento aumenta con l'altitudine. L'aumento dell'altezza di un impianto eolico si traduce generalmente in una maggiore quantità di energia generata e riduce anche la turbolenza del vento.
3. Pale del rotore: Le pale delle turbine eoliche catturano l'energia cinetica del vento e la convertono in energia meccanica. Queste lame sono costruite in legno-epossidico o poliestere rinforzato con fibra di vetro. A seconda del progetto, le turbine eoliche possono avere una singola pala, una coppia di pale, tre pale o più. Le turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWT) a tre pale sono la norma. Queste sono fissate al mozzo del rotore. In passato, l'idea di utilizzare più pale veniva impiegata per pompare acqua, macinare cibo e svolgere altre attività.
4. Navicella: La navicella è l'alloggiamento che contiene i componenti chiave della turbina. Il riduttore, gli alberi ad alta e bassa velocità, il generatore, il regolatore e i freni sono tutti installati nella parte più alta della torre. La navicella è dotata di un anemometro per misurare la velocità del vento e di una banderuola per rilevare la direzione del vento.
5. Mozzo: Il collegamento di una pala del rotore all'albero di una turbina eolica richiede un mozzo del rotore. Il mozzo, i bulloni, i cuscinetti delle pale, il sistema di passo e i componenti interni costituiscono l'assemblaggio del mozzo. Acciaio, ferro e acciaio forgiato vengono utilizzati nella produzione dei mozzi del rotore e il processo di saldatura è essenziale. Ecco alcuni esempi di mozzi del rotore:
6. Alberi: L'albero che trasmette la potenza alle ruote motrici, la coppia e i livelli di stress in una costruzione in acciaio cavo o pieno sono estremamente elevati. Con l'uso degli alberi di trasmissione, l'energia meccanica dal mozzo della pala può essere inviata al generatore, consentendogli di convertire il movimento rotatorio in corrente elettrica. Tipicamente, una turbina eolica avrà due alberi.
7. Riduttori: L'albero di uscita del riduttore è accoppiato al generatore per trasferire l'energia meccanica rotazionale. Il principio di funzionamento si basa sulla legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica . Si tratta di un dispositivo che produce elettricità a partire da energia meccanica. Per quanto riguarda le turbine eoliche, esistono diversi tipi di riduttori: la trasmissione epicicloidale, il riduttore elicoidale e la trasmissione a vite senza fine.
8. Anemometri: L'entità dell'energia cinetica del vento dipende in gran parte dalla sua velocità. Il cubo della velocità del vento è direttamente proporzionale alla potenza del vento. Quando si sceglie una posizione, è fondamentale tenere conto della velocità media del vento nella zona. Un anemometro è uno strumento utilizzato per determinare la velocità di una corrente di vento. In genere, si trovano sopra la navicella.
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A cosa servono le turbine ad asse orizzontale?
Per massimizzare la potenza in uscita e l'efficienza energetica, gli impianti eolici su larga scala utilizzano spesso turbine eoliche ad asse orizzontale. Queste turbine eoliche sono solitamente viste in
- Impianti di produzione
- Vasti parchi eolici
- Edifici sponsorizzati dal governo
Con questo, hai imparato a cosa servono le turbine ad asse orizzontale. Ora potresti approfondire i vantaggi e gli svantaggi delle turbine eoliche ad asse orizzontale.
Quali sono i vantaggi e gli svantaggi delle turbine eoliche ad asse orizzontale?
Come altri dispositivi, anche i vantaggi e gli svantaggi delle turbine eoliche ad asse orizzontale sono piuttosto evidenti. Impariamo a conoscerli approfonditamente qui.
Vantaggi della turbina eolica ad asse orizzontale-
1. Generazioni potenti
A seconda dell'applicazione, le turbine eoliche ad asse orizzontale possono essere costruite con una potenza in uscita che va da 2 MW a 8 MW. Una turbina eolica onshore con una capacità di 2.5-3.0 MW può generare circa 6 milioni di kWh all'anno, sufficienti ad alimentare 1,500 abitazioni tipiche dell'UE. Ciò dipende dalle dimensioni della turbina e dalla velocità del vento.
2. Sufficientemente affidabile
Le turbine eoliche ad asse orizzontale hanno dominato il mercato per molti anni, quindi la loro progettazione e sviluppo sono molto avanzati. Vengono studiati sia la praticità e l'utilità delle turbine eoliche ad asse orizzontale, che sono già disponibili sul mercato, sia il loro potenziale sviluppo futuro.
3. Venti operativi eccezionalmente forti
Le turbine eoliche ad asse orizzontale catturano il vento a velocità più elevate grazie all'altezza dei rotori. Ciò significa che sono più propense a funzionare con velocità del vento elevate, condizioni ideali per le loro prestazioni. Il flusso d'aria ad alta quota è generalmente costante, il che rende le turbine eoliche ad asse orizzontale una fonte di energia rinnovabile più affidabile.
4. Efficienza ad un livello molto alto
È impossibile convertire l'energia senza che una parte venga sprecata. Uno degli obiettivi principali dello sviluppo di nuovi prodotti nel settore dell'energia eolica è quello di aumentare l'efficienza della conversione energetica. Al momento, le turbine eoliche più produttive sono quelle ad asse orizzontale, sufficientemente efficienti da convertire il 40-50% dell'energia eolica in arrivo in elettricità utilizzabile.
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Svantaggi della turbina eolica ad asse orizzontale-
1. Difficile da spostare, installare e mantenere in funzione
Poiché le turbine eoliche ad asse orizzontale sono così massicce , presentano notevoli ostacoli logistici e tecnici durante il trasporto e l'installazione. Le pale delle turbine eoliche ad asse orizzontale possono raggiungere i 70 metri di lunghezza e le 20 tonnellate di peso, il che rende improbabile la loro installazione sulle strade strette e tortuose tipiche delle regioni collinari o sulle normali vie cittadine, dove ai lati si trovano abitazioni, linee elettriche e lampioni.
2. Danneggiare l'ambiente
Il tema dell'impatto delle turbine eoliche ad asse orizzontale sull'ambiente circostante è ancora oggetto di ampio dibattito e controversie . Il fragore delle enormi pale che fendono l'aria, l'ombra imponente che proiettano e i danni che causano alla fauna e agli ecosistemi circostanti sono tutti motivi di preoccupazione.
3. Cambiamenti nell'ecosistema marino
È probabile che le turbine eoliche offshore alterino l'ecosistema marino in modi che ancora non comprendiamo, mentre le pale delle turbine eoliche ad asse orizzontale rappresentano un rischio di collisione con creature volantiNumerosi studi hanno scoperto che le turbine eoliche non sono direttamente responsabili di oltre l'uno percento delle morti annuali di uccelli negli Stati Uniti causate da incidenti con oggetti e pratiche artificiali.
4. Requisiti rigorosi per l'installazione
Nonostante gli incentivi offerti dai governi di tutto il mondo per promuovere la rivoluzione delle energie rinnovabili , le normative per lo sviluppo e l'installazione di turbine eoliche possono rappresentare un ostacolo . Per una turbina eolica ad asse orizzontale, ad esempio, la distanza minima di sicurezza da un'abitazione adiacente è in genere pari a quattro volte l'altezza totale della turbina. L'amministrazione comunale deve effettuare uno studio acustico prima di autorizzare la costruzione di un parco eolico. È fondamentale considerare sia il rumore di fondo che quello generato dalla turbina eolica. Sebbene esistano spesso delle linee guida generali, le normative possono comunque variare a seconda di fattori quali il clima politico, sociale e ambientale.
Le turbine eoliche ad asse orizzontale stanno giocando e giocheranno un ruolo importante nel tuo futuro basato sulle energie rinnovabili. È molto importante comprendere tutti gli aspetti di queste tecnologie, come i vantaggi e gli svantaggi delle turbine eoliche ad asse orizzontale, i tipi di turbine eoliche ad asse orizzontale, ecc. Ti aiutano a essere pronto per il futuro che sta per arrivare.
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