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Sfondo

Una turbina eolica è una macchina che converte l’energia cinetica del vento in energia meccanica rotatoria, che viene poi usata per fare lavoro. Nei modelli più avanzati, l’energia di rotazione è convertita in elettricità, la forma più versatile di energia, utilizzando un generatore.

Per migliaia di anni la gente ha usato i mulini a vento per pompare l’acqua o macinare il grano. Anche nel ventesimo secolo alte e sottili turbine eoliche a più pale, fatte interamente di metallo, erano usate nelle case e nei ranch americani per pompare l’acqua nell’impianto idraulico della casa o nell’abbeveratoio del bestiame. Dopo la prima guerra mondiale, si cominciò a lavorare per sviluppare turbine eoliche che potessero produrre elettricità. Marcellus Jacobs inventò un prototipo nel 1927 che poteva fornire energia per una radio e alcune lampade ma poco altro. Quando più tardi la domanda di elettricità aumentò, le piccole e inadeguate turbine eoliche di Jacobs caddero in disuso.

La prima turbina eolica su larga scala costruita negli Stati Uniti fu concepita da Palmer Cosslett Putnam nel 1934; la completò nel 1941. La macchina era enorme. La torre era alta 36,6 iarde (33,5 metri) e le sue due pale di acciaio inossidabile avevano un diametro di 58 iarde (53 metri). La turbina eolica di Putnam poteva produrre 1.250 kilowatt di elettricità, o abbastanza per soddisfare le esigenze di una piccola città. Fu però abbandonata nel 1945 a causa di un guasto meccanico.

Con l’embargo petrolifero del 1970, gli Stati Uniti cominciarono di nuovo a considerare la fattibilità di produrre elettricità a basso costo dalle turbine eoliche. Nel 1975 il prototipo Mod-O era in funzione. Si trattava di una turbina da 100 kilowatt con due pale da 21 yard (19 metri). Seguirono altri prototipi (Mod-OA, Mod-1, Mod-2, ecc.), ognuno più grande e più potente del precedente. Attualmente, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti mira a superare i 3.200 kilowatt per macchina.

Esistono molti modelli diversi di turbine eoliche, il più sorprendente è il Darrieus ad asse verticale, che ha la forma di uno sbattitore di uova. Il modello più sostenuto dai produttori commerciali, tuttavia, è una turbina ad asse orizzontale, con una capacità di circa 100 kilowatt e tre pale di lunghezza non superiore a 33 iarde (30 metri). Le turbine eoliche con tre pale girano più dolcemente e sono più facili da bilanciare di quelle con due pale. Inoltre, mentre le turbine eoliche più grandi producono più energia, i modelli più piccoli hanno meno probabilità di subire grandi guasti meccanici, e quindi sono più economici da mantenere.

I parchi eolici sono sorti in tutti gli Stati Uniti, soprattutto in California. I parchi eolici sono enormi schiere di turbine eoliche collocate in aree di produzione di vento favorevole. Il gran numero di turbine eoliche interconnesse è necessario per produrre abbastanza elettricità per soddisfare le esigenze di una popolazione considerevole. Attualmente, 17.000 turbine eoliche su parchi eolici di proprietà di diverse società di energia eolica producono 3,7 miliardi di chilowattora di elettricità all’anno, abbastanza per soddisfare le esigenze energetiche di 500.000 case.

Materie prime

Una turbina eolica è composta da tre parti fondamentali: la torre, la navicella e le pale del rotore. La torre è o una torre a traliccio in acciaio simile alle torri elettriche o una torre tubolare in acciaio con una scala interna alla navicella.

Il primo passo nella costruzione di una turbina eolica è la costruzione della torre. Anche se le parti in acciaio della torre sono prodotte fuori dal sito in una fabbrica, di solito sono assemblate sul posto. Le parti sono imbullonate insieme prima del montaggio, e la torre viene mantenuta orizzontale fino al posizionamento. Una gru solleva la torre in posizione, tutti i bulloni vengono serrati e la stabilità viene testata al termine.
Poi viene installata la carlinga in vetroresina. Il suo funzionamento interno – l’albero motore principale, il cambio e i controlli del passo e dell’imbardata delle pale – sono assemblati e montati su un telaio di base in una fabbrica. La carlinga viene poi imbullonata intorno all’attrezzatura. Sul sito, la navicella viene sollevata sulla torre completata e imbullonata al suo posto.

La maggior parte delle torri non ha i tiranti, che sono cavi usati per il sostegno, e la maggior parte è fatta di acciaio che è stato rivestito con una lega di zinco per protezione, anche se alcuni sono invece verniciati. La torre di una tipica turbina americana è alta circa 80 piedi e pesa circa 19.000 libbre.

La navicella è un guscio robusto e cavo che contiene il funzionamento interno della turbina eolica. Di solito fatta di fibra di vetro, la carlinga contiene l’albero di trasmissione principale e il cambio. Contiene anche il controllo del passo delle pale, un sistema idraulico che controlla l’angolo delle pale, e l’azionamento dell’imbardata, che controlla la posizione della turbina rispetto al vento. Il generatore e i controlli elettronici sono attrezzature standard i cui componenti principali sono acciaio e rame. Una tipica carlinga per una turbina attuale pesa circa 22.000 libbre.

L’uso più vario di materiali e la maggior parte della sperimentazione di nuovi materiali si verificano con le pale. Anche se il materiale più dominante usato per le pale nelle turbine eoliche commerciali è la fibra di vetro con un nucleo cavo, altri materiali in uso includono legni leggeri e alluminio. Le pale di legno sono solide, ma la maggior parte delle pale consiste in una pelle che circonda un nucleo che è cavo o riempito con una sostanza leggera come la schiuma plastica o il nido d’ape, o il legno di balsa. Una tipica pala in fibra di vetro è lunga circa 15 metri e pesa circa 2.500 libbre.

Le turbine eoliche includono anche una scatola di servizio, che converte l’energia eolica in elettricità e che si trova alla base della torre. Vari cavi collegano la utility box alla navicella, mentre altri collegano l’intera turbina alle turbine vicine e a un trasformatore.

Il processo di produzione

Prima di prendere in considerazione la costruzione di singole turbine eoliche, i produttori devono determinare un’area adeguata per l’ubicazione dei parchi eolici. I venti devono essere costanti e la loro velocità deve essere regolarmente superiore a 15,5 miglia all’ora (25 chilometri all’ora). Se i venti sono più forti durante certe stagioni, è preferibile che siano maggiori durante i periodi di massimo utilizzo dell’elettricità. Ad Altamont Pass in California, per esempio, sede del più grande parco eolico del mondo, la velocità del vento raggiunge il massimo in estate, quando la domanda è alta. In alcune aree del New England dove si stanno prendendo in considerazione parchi eolici, i venti sono più forti in inverno, quando il bisogno di

La navicella è un guscio robusto e cavo che contiene il funzionamento interno della turbina eolica, come l’albero motore principale e il cambio. Contiene anche il controllo del passo delle pale, un sistema idraulico che controlla l’angolo delle pale, e l’azionamento dell’imbardata, che controlla la posizione della turbina rispetto al vento. Una tipica carlinga per una turbina attuale pesa circa 22.000 libbre.

Il riscaldamento aumenta il consumo di energia elettrica. I parchi eolici funzionano meglio in aree aperte di terreno leggermente ondulato circondato da montagne. Queste aree sono preferite perché le turbine eoliche possono essere collocate sui crinali e rimanere libere da alberi ed edifici, e le montagne concentrano il flusso d’aria, creando un tunnel naturale di venti più forti e veloci. I parchi eolici devono anche essere collocati vicino alle linee di servizio per facilitare il trasferimento dell’elettricità alla centrale elettrica locale.

Preparazione del sito

• 1 Ovunque debba essere costruito un parco eolico, le strade vengono tagliate per fare spazio al trasporto delle parti. In ogni posizione della turbina eolica, il terreno viene livellato e l’area del pad viene livellata. Una fondazione di cemento viene poi posata nel terreno, seguita dall’installazione dei cavi sotterranei. Questi cavi collegano le turbine eoliche l’una all’altra in serie, e le collegano anche tutte al centro di controllo remoto, dove il parco eolico viene monitorato e l’elettricità viene inviata alla compagnia elettrica.

Montaggio della torre

• 2 Anche se le parti in acciaio della torre sono prodotte in fabbrica, di solito vengono assemblate sul posto. Le parti sono imbullonate insieme prima del montaggio, e la torre viene mantenuta orizzontale fino al posizionamento. Una gru solleva la torre in posizione, tutti i bulloni vengono serrati, e la stabilità viene testata al termine.

Gondola

• 3 La gondola in vetroresina, come la torre, è prodotta fuori dal sito in una fabbrica. A differenza della torre, però, è anche assemblata in fabbrica. Il suo funzionamento interno – l’albero di trasmissione principale, il cambio e i controlli del passo e dell’imbardata delle pale – sono assemblati e poi montati su un telaio di base. La navicella viene poi imbullonata
  

  La scatola di servizio per ogni turbina eolica e il sistema di comunicazione elettrica per il parco eolico vengono installati contemporaneamente al posizionamento della navicella e delle pale. I cavi vanno dalla navicella alla scatola di servizio e dalla scatola di servizio al centro di controllo remoto.

  intorno all’attrezzatura. Nel sito, la gondola viene sollevata sulla torre completata e imbullonata in posizione.

Pale rotanti

• 4 Le pale di alluminio sono create imbullonando insieme fogli di alluminio, mentre le pale di legno sono intagliate per formare un’elica aerodinamica simile in sezione all’ala di un aereo.
• 5 Di gran lunga il maggior numero di pale, tuttavia, è formato da fibra di vetro. La fabbricazione della vetroresina è un’operazione minuziosa. In primo luogo, viene preparato uno stampo che è in due metà come un guscio di vongola, ma a forma di lama. Poi, una miscela composita di vetroresina viene applicata alle superfici interne dello stampo, che viene poi chiuso. La miscela di vetroresina deve poi asciugare per diverse ore; mentre lo fa, una vescica piena d’aria all’interno dello stampo aiuta la lama a mantenere la sua forma. Dopo che la fibra di vetro è asciutta, lo stampo viene aperto e la vescica viene rimossa. La preparazione finale della lama comporta la pulizia, la levigatura, la sigillatura delle due metà e la verniciatura.
• 6 Le pale sono solitamente imbullonate sulla navicella dopo che questa è stata posizionata sulla torre. Poiché l’assemblaggio è più facile da realizzare a terra, occasionalmente una lama a tre punte ha due lame imbullonate sulla navicella prima che sia sollevata, e la terza lama è imbullonata dopo che la navicella è in posizione.

Installazione dei sistemi di controllo

• 7 La scatola di servizio per ogni turbina eolica e il sistema di comunicazione elettrica per il parco eolico sono installati contemporaneamente al posizionamento della navicella e delle pale. I cavi vanno dalla navicella alla scatola di servizio e dalla scatola di servizio al centro di controllo remoto.

Controllo di qualità

A differenza della maggior parte dei processi di fabbricazione, la produzione di turbine eoliche comporta una preoccupazione molto piccola per il controllo di qualità. Poiché la produzione di massa di turbine eoliche è abbastanza nuova, non sono stati fissati standard. Ora si stanno facendo sforzi in questo settore sia da parte del governo che dei produttori.

Mentre le turbine eoliche in servizio funzionano per il 90% del tempo, si incontrano ancora molti difetti strutturali, in particolare nelle pale. Le crepe a volte appaiono subito dopo la fabbricazione. I guasti meccanici a causa di errori di allineamento e di assemblaggio sono comuni. I sensori elettrici si guastano spesso a causa di sbalzi di tensione. I freni non idraulici tendono ad essere affidabili, ma i sistemi di frenatura idraulici spesso causano problemi. Si stanno sviluppando piani per usare la tecnologia esistente per risolvere queste difficoltà.

Le turbine eoliche hanno programmi di manutenzione regolari per ridurre al minimo i guasti. Ogni tre mesi sono sottoposte a un’ispezione, e ogni sei mesi è previsto un importante controllo di manutenzione. Questo di solito comporta la lubrificazione delle parti mobili e il controllo del livello dell’olio nel cambio. È anche possibile per un lavoratore testare l’impianto elettrico sul posto e notare eventuali problemi con il generatore o i collegamenti.

Vantaggi e svantaggi ambientali

Una turbina eolica che produce elettricità da venti inesauribili non crea inquinamento. In confronto, il carbone, il petrolio e il gas naturale producono da una a due libbre di anidride carbonica (un’emissione che contribuisce all’effetto serra e al riscaldamento globale) per chilowattora prodotto. Quando l’energia eolica viene utilizzata per le necessità elettriche, si riduce la dipendenza dai combustibili fossili per questo scopo. L’attuale produzione annuale di elettricità dalle turbine eoliche (3,7 miliardi di kilowatt-ora) è equivalente a quattro milioni di barili di petrolio o un milione di tonnellate di carbone.

Le turbine eoliche non sono completamente prive di inconvenienti ambientali. Molte persone le considerano antiestetiche, specialmente quando enormi parchi eolici sono costruiti vicino ad aree naturali incontaminate. Sono state documentate uccisioni di uccelli, e le lame ronzanti producono un bel po’ di rumore. Gli sforzi per ridurre questi effetti includono la selezione di siti che non coincidono con aree naturali o rotte di migrazione degli uccelli e la ricerca di modi per ridurre il rumore.

Il futuro

Il futuro può solo migliorare per le turbine eoliche. Il potenziale per l’energia eolica è in gran parte non sfruttato. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti stima che dieci volte la quantità di elettricità attualmente prodotta può essere raggiunta entro il 1995. Entro il 2005, settanta volte la produzione attuale è possibile. Se ciò fosse realizzato, le turbine eoliche rappresenterebbero il 10% della produzione di elettricità degli Stati Uniti.

Si sta facendo ricerca per aumentare la conoscenza delle risorse eoliche. Questo comporta la verifica di sempre più aree per la possibilità di collocare parchi eolici dove il vento è affidabile e forte. Sono in atto piani per aumentare la durata della macchina da cinque anni a 20-30 anni, migliorare l’efficienza delle pale, fornire migliori controlli, sviluppare trasmissioni che durino più a lungo e consentire una migliore protezione dalle sovratensioni e la messa a terra. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha recentemente stabilito un programma per implementare le ultime ricerche al fine di costruire turbine eoliche con un’efficienza superiore a quella attuale. (L’efficienza di una turbina eolica ideale è del 59,3%. Cioè, il 59,3% dell’energia del vento può essere catturata. Le turbine attualmente in uso hanno un’efficienza di circa il 30 per cento). Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha anche stipulato un contratto con tre società per ricercare modi per ridurre i guasti meccanici. Questo progetto è iniziato nella primavera del 1992 e si estenderà fino alla fine del secolo.

Le turbine eoliche diventeranno più diffuse nei prossimi anni. Il più grande produttore di turbine eoliche del mondo, U.S. Windpower, prevede di espandersi da 420 megawatt di capacità (4.200 macchine) a 800 megawatt (8.000 macchine) entro il 1995. Prevedono di avere 2.000 megawatt (20.000 macchine) entro l’anno 2000. Anche altri produttori di turbine eoliche progettano di aumentare i numeri prodotti. Comitati internazionali composti da diverse nazioni industrializzate si sono formati per discutere il potenziale delle turbine eoliche. Si stanno anche facendo sforzi per fornire ai paesi in via di sviluppo piccole turbine eoliche simili a quelle costruite da Marcellus Jacobs negli anni ’20. La Danimarca, che già produce il 70-80% dell’energia eolica europea, sta sviluppando piani per espandere la produzione di turbine eoliche. La fine del secolo dovrebbe vedere turbine eoliche posizionate correttamente, efficienti, durevoli e numerose.