Perché le turbine eoliche girano così piano?

Un giro che sembra lento

Le turbine eoliche nascono per catturare il vento. Perché le pale sembrano così lente? Girando più velocemente non produrrebbero più elettricità? Sorprendentemente, rotazioni apparentemente lente possono far sfrecciare le punte.

E accelerare non conviene sempre. La velocità utile dipende dal vento, dal disegno delle pale e dai limiti di sicurezza.

Una punta veloce su un rotore lento

Osserva due punti sulla stessa pala, vicino al mozzo e in punta. Completano insieme ogni giro, ma intanto la punta percorre molta più strada. Prendiamo la turbina di riferimento I E A da quindici megawatt, progetto di ricerca pubblicato nel duemilaventi. Il rotore misura duecentoquaranta metri di diametro: gira nominalmente a circa sette giri e mezzo al minuto.

Con un raggio di centoventi metri, la punta corre a circa novantacinque metri al secondo. Il cerchio enorme nasconde quanto corre la punta, nonostante i pochi giri. Ora seguiamo una piccola sezione di pala, osservando l'aria che incontra. Questo flusso relativo combina il vento col movimento della pala, arrivando obliquamente alla sezione in movimento.

Il profilo alare genera portanza perpendicolare al flusso relativo e resistenza lungo di esso. Parte della forza aerodinamica risultante spinge la pala nel verso di rotazione, facendo girare il mozzo. Un'altra componente sollecita assialmente il rotore: la struttura deve sostenere questo carico. Variando velocità o angolo della pala cambia il flusso incontrato, quindi cambiano forza di rotazione e carichi.

Trovare la velocità utile

Gli ingegneri confrontano velocità di punta e vento col rapporto di velocità periferica. Con la punta nove volte più veloce del vento, vale nove, in qualsiasi unità. Disegno delle pale e passo determinano un intervallo utile per catturare energia dal flusso. Accelerare può avvicinare il rotore a quell'intervallo, ma accelerare ancora può allontanarlo.

Il solo rapporto non dà la regolazione migliore per ogni turbina. Il progetto I E A distingue il punto operativo scelto da quello col massimo coefficiente di potenza aerodinamico, perché deve rispettare anche i limiti di carico. Sotto la velocità nominale del vento, nella zona principale, controlla la coppia del generatore mirando al rapporto scelto.

La resistenza regolabile del generatore permette al controllore di influenzare la velocità del rotore. Con vento debole, mantiene anche una velocità minima del rotore, cambiando strategia. Già prima della potenza nominale, una turbina reale ha limiti: non può seguire sempre un rapporto ideale. In condizioni nominali, questa turbina regola il passo mantenendo la rotazione vicina alla velocità nominale.

Ruotando sull'asse longitudinale, le pale cambiano angolo rispetto al flusso, permettendo di limitare la potenza assorbita. Pale e torre devono reggere i carichi; flettendosi, le pale devono restare distanti dalla torre. Il controllore lavora entro quei limiti: più vento non significa che giri e produzione salgano senza limite.

Scambiare coppia con velocità

Per osservare un moltiplicatore, passiamo alla trasmissione da settecentocinquanta kilowatt del progetto Gearbox Reliability Collaborative dell'N R E L. Questo modello precedente ha due velocità nominali del generatore, diversamente dall'I E A a velocità variabile. Dal mozzo, segui l'albero principale al moltiplicatore: uno stadio planetario aziona due stadi ad assi paralleli. Nella prova scelta, l'albero principale fa circa ventidue giri al minuto, quello del generatore circa milleottocento.

Complessivamente, l'uscita compie circa ottantuno giri e mezzo per giro in ingresso. L'ultima coppia quadruplica la velocità: una ruota da ottantotto denti aziona un pignone da ventidue. Ingranandosi coi denti della ruota maggiore, quella più piccola deve girare più velocemente. Ciò determina il rapporto di velocità; quelli degli stadi collegati si moltiplicano fino al generatore.

La potenza meccanica è il prodotto di coppia e velocità angolare: un albero più veloce non implica potenza aggiuntiva creata nel moltiplicatore. Nel trasferimento ideale a regime, aumentando la velocità, la coppia cala proporzionalmente e la potenza trasmessa si conserva. Un moltiplicatore reale perde energia per attrito: esce meno potenza meccanica di quanta ne entri. L'aumento di velocità adatta il rotore a un generatore veloce, potenzialmente più piccolo di uno lento.

Abbiamo rallentato il meccanismo per osservarlo, mantenendo sincronizzati gli alberi collegati. Il rapporto spiega le diverse velocità. Ora vediamo come il generatore converte la potenza meccanica trasmessa in potenza elettrica.

Il passaggio all'elettricità

Usiamo un generatore semplificato, con sorgente magnetica rotante e bobine fisse. Isoliamo l'induzione elettromagnetica: il disegno non rappresenta la costruzione del generatore G R C. Osserva il campo magnetico nella bobina mentre la sorgente ruota accanto. Il flusso magnetico cambia: Faraday lega la sua velocità di variazione alla tensione indotta nella bobina.

Nel modello rotante semplificato, il flusso sale e scende durante il giro; la tensione indotta cambia polarità. La tensione segue la rapidità di variazione del flusso: i rispettivi picchi non coincidono. A circuito aperto, il flusso variabile può comunque indurre tensione ai morsetti. Nel circuito aperto ideale non arriva corrente al carico: la sola tensione non dimostra potenza elettrica utile trasferita.

Chiudendo il circuito sul carico, può scorrere corrente mentre il generatore gli cede energia. La corrente genera una risposta magnetica contraria alla variazione che l'ha prodotta, opponendo resistenza elettromagnetica alla rotazione. L'albero deve continuare a fornire lavoro meccanico contro questa resistenza, sostenendo il trasferimento elettrico. Ecco il legame tra coppia e generazione: la coppia del rotore fornisce energia,

mentre generatore e circuito collegato determinano come prelevarla.

Dal generatore alla rete

Passiamo a un modello di ricerca documentato a conversione integrale, basato sulla CART tre dell'N R E L, la Controls Advanced Research Turbine. Qui l'elettronica di potenza collega il funzionamento variabile del generatore alla rete in corrente alternata. Nel modello descritto, un raddrizzatore trasforma la corrente alternata del generatore in continua, che attraversa un circuito intermedio in continua. Un inverter la trasforma poi in corrente alternata controllata alla frequenza della rete.

Così la velocità e la frequenza elettrica del generatore possono variare senza imporre variazioni alla frequenza della rete. Nello schema base, il convertitore lato rete regola tensione del circuito intermedio e potenza scambiata con la rete. Il trasformatore invece cambia la tensione della corrente alternata. Aumentare la tensione richiede meno corrente per trasportare potenza, riducendo le perdite nelle linee di trasmissione dal parco eolico.

La rete del parco raccoglie la produzione delle turbine, collegandola alla rete generale tramite una sottostazione. Generatore, convertitore e trasformatore gestiscono parti diverse del trasferimento, dopo che il vento ha fornito l'energia meccanica.

Togliere il moltiplicatore

Torniamo alla turbina di riferimento I E A da quindici megawatt, a trasmissione diretta. Il rotore è collegato al generatore senza moltiplicatore, quindi il generatore lavora alla bassa velocità del rotore stesso. Il suo generatore ha un anello di magneti permanenti sulla parte esterna rotante, attorno a una struttura fissa con bobine. I numerosi poli magnetici passano davanti alle bobine: anche una rotazione lenta produce così ripetute variazioni magnetiche.

Senza moltiplicatore cambia l'accoppiamento tra rotore e generatore, ma non il compito aerodinamico della pala. Anche questa trasmissione diretta regola coppia e passo, catturando energia entro i limiti operativi del rotore. Il moltiplicatore descrive la configurazione meccanica; il convertitore descrive quella elettrica. Rispondono a domande diverse: osservare un rotore lento non basta a identificare l'intera trasmissione e il sistema elettrico che lo accompagnano.

Rileggere il rotore

Riguarda la punta della pala percorrere quel grande cerchio. Il rotore può compiere pochi giri al minuto con punte veloci: ogni giro coprono una grande distanza. Accelerare aiuta solo avvicinando la macchina a condizioni operative utili, entro i suoi limiti. La potenza dipende anche dalla coppia e dal trasferimento d'energia attraverso generatore e sistema elettrico.

I giri apparentemente lenti rientrano nello scambio controllato tra aria in movimento e rete elettrica. Col vento, il controllore può variare passo e coppia del generatore, mantenendo il rotore nell'intervallo operativo previsto.