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Funzionamento dei componenti della turbina eolica.

Funzioni di parti della turbina di vento per generare elettricità.

Qui in questo articolo ho dato una panoramica delle principali parti della turbina eolica e come funzionano le turbine eoliche usando queste parti.

L’energia eolica è una delle fonti energetiche in più rapida crescita al mondo. Quando si tratta di energia pulita alternativa da risorse rinnovabili, l’energia eolica dovrebbe occupare la seconda quota più grande del mercato in futuro dopo il solare. Prima di entrare nel funzionamento dei principali componenti delle turbine eoliche per generare elettricità diamo prima un’occhiata al principio di base di come funzionano le turbine eoliche per sfruttare l’energia dal vento.

L’energia eolica è una risorsa rinnovabile gratuita. Non importa quanto viene utilizzato oggi, ci sarà ancora la stessa fornitura di energia eolica in futuro. A differenza delle centrali elettriche convenzionali, le centrali eoliche non emettono inquinanti atmosferici o gas serra. Anche se la tecnologia richiede un investimento iniziale più elevato rispetto ai generatori a combustibile fossile, i costi dei sistemi di generazione eolica sono molto più competitivi rispetto ad altre tecnologie di generazione su una base di costo del “ciclo di vita” perché non c’è carburante da acquistare e le spese operative sono minime.

Come funzionano le turbine eoliche – il principio di base

Le turbine eoliche, che operano su un principio semplice, generano elettricità sfruttando la potenza del vento. L’energia nel vento gira due o tre pale simili a eliche attorno a un rotore (come mostrato nell’immagine sopra). Il rotore è collegato all’albero principale della turbina. Quando il vento soffia sulle pale angolate del rotore, fa girare il rotore convertendo così l’energia cinetica del vento in energia meccanica. Poiché l’albero del rotore è collegato a un generatore attraverso un cambio, quando il rotore gira, così fa il generatore e il generatore converte l’energia meccanica all’albero della turbina in energia elettrica utilizzando un campo elettromagnetico.

Ora esaminiamo i ruoli interpretati dalle parti principali di una turbina eolica per far funzionare la turbina.

Le funzioni delle principali parti della turbina eolica

Il funzionamento dei principali componenti della turbina eolica sono dettagliati di seguito per spiegare come funzionano le turbine eoliche per produrre elettricità:

La navicella

La navicella è la più importante tra tutte le parti della turbina eolica. Ospita tutti i componenti della turbina eolica, tra cui il gruppo generatore, cambio e freno.

La navicella si trova in cima alla torre e ospita gli alberi a bassa e alta velocità, il cambio, il freno e il generatore. Ospita anche un controller che riceve i dati da un anemometro, che misura la velocità del vento, una banderuola, che misura la direzione del vento, un sistema di controllo del passo che controlla l’angolo delle pale e l’azionamento dell’imbardata, che controlla la posizione della turbina rispetto al vento.

La banderuola sulla parte superiore della Navicella indica al controller da dove proviene il vento. La direzione del vento determina il design delle turbine, sia di bolina che di sottovento. Le turbine di bolina hanno il rotore davanti alla navicella rivolto verso il vento mentre le turbine di bolina hanno il rotore dietro la navicella e rivolto lontano dal vento. L’effetto dell’orientamento del rotore, cioè bolina o sottovento, ha un impatto dominante sui carichi instabili del sistema di turbine eoliche. Quando il vento cambia direzione, segue la Navicella e il rotore. Il rotore dovrebbe essere sempre rivolto verso il vento per catturare correttamente il vento. Il controller della turbina eolica si assicurerà sempre che il rotore sia trasformato nel vento. Quasi tutte le turbine eoliche hanno un design di bolina.

Funzioni delle pale del rotore e della turbina

Il rotore è tra le parti più importanti di una turbina eolica che converte l’energia cinetica del vento in energia meccanica rotativa.

Le pale della turbina e il mozzo insieme formano il rotore di una turbina eolica. La maggior parte delle turbine hanno due o tre eliche come pale. Il mozzo è una delle principali parti della turbina eolica che collega le pale all’albero principale e, infine, al resto del treno di trasmissione che trasferisce la potenza meccanica rotazionale dal mozzo del rotore al generatore di energia elettrica. Il rotore è collegato all’albero principale della turbina. L’energia nel vento gira le pale della turbina attorno al rotore, che gira il generatore di energia e il generatore converte l’energia meccanica all’albero della turbina in energia elettrica utilizzando un campo elettromagnetico. Così il ruolo del rotore della turbina praticamente spiega, come fa una turbina eolica generare elettricità.

Funzione delle pale della turbina

Le pale della turbina funzionano generando sollevamento e resistenza a causa della loro differenza di forme quando il vento soffia su di loro, come un aereo.

Le due forze aerodinamiche primarie che lavorano nei rotori delle turbine eoliche sono lift, che agisce perpendicolarmente alla direzione del flusso del vento e drag, che agisce parallelamente alla direzione del flusso. Le pale di una turbina eolica sono sagomate con un lato (posteriore) molto più curvo rispetto all’altro lato (anteriore). Questa forma varia provoca un differenziale di pressione quando l’aria si muove attraverso le lame. La sacca d’aria a bassa pressione sul lato sottovento della lama tira la lama verso di essa, causando la rotazione del rotore, che è chiamata ascensore. La forza del vento contro il lato anteriore della lama è chiamata resistenza. La forza dell’ascensore è in realtà molto più forte della forza di trascinamento del vento. Il risultato netto è una forza di sollevamento perpendicolare alla direzione del flusso d’aria sulle pale delle turbine che crea coppia nel rotore della turbina eolica e lo fa girare come un’elica.

Funzioni dell’albero principale

L’albero a bassa velocità, che è l’albero principale della turbina, ha funzioni importanti. Supporta il rotore (mozzo e le pale) e aziona l’albero ad alta velocità collegato ad esso attraverso la scatola ingranaggi che è una delle principali parti della turbina eolica. L’albero a bassa velocità trasmette il movimento rotatorio del rotore e il momento della coppia all’albero ad alta velocità attraverso la scatola ingranaggi per azionare il generatore.

Ruolo svolto dalla scatola ingranaggi

La potenza dalla rotazione del rotore della turbina eolica viene trasferita al generatore attraverso il gruppo motopropulsore, cioè attraverso l’albero a bassa velocità (l’albero principale), il cambio e l’albero ad alta velocità. Il rotore della turbina eolica ruota a una velocità relativamente bassa. Con un cambio questo potere lentamente girante e alto di coppia di torsione dal rotore è convertito ad alta velocità, potere basso di coppia di torsione, che è necessario per il generatore collegato all’asse ad alta velocità. La scatola ingranaggi aumenta la velocità di rotazione del generatore da circa 15 a 20 rotazioni al minuto (rpm) per una grande turbina da un megawatt a circa 1.800 giri al minuto di cui la maggior parte dei generatori ha bisogno per generare elettricità.

Ruolo svolto dal controller

Per ottimizzare la funzionalità di una turbina eolica, viene utilizzato un controller, che è uno dei componenti della turbina eolica più importanti. Il controller aumenta la produzione di energia e limita i carichi sulle parti strutturali. Il sistema di controllo è costituito da un numero di computer che monitorano costantemente le condizioni della turbina eolica e raccolgono statistiche di funzionamento dai sensori. Il controller ottimizza continuamente la produzione di energia in base alla misurazione continua della direzione e della velocità del vento. Si avvia la macchina a velocità del vento di circa 8 a 16 miglia all’ora (mph) e si spegne la macchina a circa 55 mph. Turbine non funzionano a velocità del vento superiore a circa 55 mph perché i venti forti possono danneggiare le turbine.

Il sistema di rottura

Il sistema di rottura è una delle parti importanti di una turbina eolica. Questo sistema arresta automaticamente il rotore quando la sua velocità di rotazione supera il suo punto di taglio per evitare danni meccanici o elettrici. Il sistema frenante principale per la maggior parte delle turbine eoliche moderne è il sistema frenante aerodinamico che ferma la turbina in un paio di rotazioni. Inoltre, il sistema frenante aerodinamico offre un modo molto delicato di rompere la turbina senza grandi sollecitazioni, strappi e usura sulla torre e sul macchinario.

Funzione del generatore

Il generatore a turbina eolica converte la potenza meccanica rotazionale generata dalle pale del rotore in energia elettrica. Il vento spinge direttamente contro le pale della turbina, che converte il movimento lineare del vento nel movimento rotatorio necessario per far girare il rotore del generatore per produrre elettricità utilizzando un campo elettromagnetico.

Tutte le turbine eoliche hanno determinate caratteristiche relative alla velocità del vento. Il generatore (o alternatore) non produrrà potenza di uscita fino a quando la sua velocità di rotazione è al di sopra della sua velocità del vento di taglio in cui la forza del vento sulle pale del rotore è sufficiente per superare l’attrito e le pale del rotore accelerano abbastanza per il generatore per iniziare a generare elettricità. Al di sopra di questa velocità di cut-in, la potenza emessa dal generatore aumenterebbe come un cubo di velocità del vento (cioè se la velocità del vento raddoppia, la potenza aumenta di otto volte) fino a raggiungere la sua massima potenza nominale. Se la velocità del vento continua ad aumentare, il generatore di turbina eolica si fermerebbe automaticamente al suo punto di cut-out per evitare danni meccanici o elettrici.

Funzione del sistema di Pitch

Il sistema di Pitch in una turbina eolica è un sistema di azionamento ad anello chiuso che controlla l’angolo delle pale della turbina ruotandole in modo che le pale utilizzino la giusta quantità di energia eolica disponibile per ottenere la massima potenza in uscita, garantendo allo stesso tempo che la turbina non superi la sua velocità massima di rotazione. Ciò mantiene la sicurezza della turbina in caso di forti venti, perdita di carico elettrico o altri eventi dannosi.

Ruolo svolto dalla torre della turbina eolica

Le turbine eoliche sono montate su una torre per catturare l’energia dal vento. Il corpo principale della turbina si trova in cima alla torre e dietro le pale. La torre di una turbina eolica supporta la Navicella e il Rotore (il mozzo con tre pale allegate). Le torri più alte consentono alle turbine eoliche di catturare più energia e generare più elettricità perché la velocità del vento aumenta più lontano dal suolo e il vento soffia più costantemente in un’atmosfera più alta.

Potresti anche leggere questo post: Vantaggi e svantaggi dell’energia eolica

Domande frequenti

Ora che le funzioni delle principali parti delle turbine eoliche sono state spiegate per mostrare come funzionano le turbine eoliche, vorrei anche affrontare alcune delle domande correlate spesso poste dalle persone.

Come funzionano le turbine eoliche quando non è ventoso?

Se l’atmosfera non è ventosa o se c’è troppo poco vento e le pale si muovono lentamente, la turbina eolica potrebbe non produrre elettricità. C’è una “velocità di cut-in” alla quale la turbina inizia a produrre elettricità. Potenza continua a crescere come la velocità del vento aumenta.

Perché le turbine eoliche hanno 3 pale?

Un minor numero di pale in una turbina riduce la resistenza. Ma le turbine a due pale vibreranno quando si gireranno per affrontare il vento. Il momento angolare rimane costante in una turbina a tre pale. Questo perché quando una lama è alta, gli altri due puntano ad un angolo e la turbina può ruotare nel vento senza intoppi.

Quanta energia proviene dal vento negli Stati Uniti?

L’energia eolica fornisce circa il 6% della produzione totale di elettricità negli Stati Uniti con una capacità installata di oltre 80 GW, che è sufficiente per alimentare 24 milioni di case.

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Conclusione

Si spera che dopo aver attraversato le funzioni delle principali parti delle turbine eoliche spiegate sopra non ci dovrebbero essere difficoltà a capire come funzionano le turbine eoliche per sfruttare l’energia dal vento per generare elettricità.

Il funzionamento dei principali componenti della turbina eolica può essere riassunto come segue:

1. Quando il vento soffia sulle pale angolate della turbina che sono attaccati ad un rotore, fa girare il rotore convertendo così l’energia cinetica del vento in energia meccanica;

2. Il rotore è collegato all’albero principale della turbina. L’albero del rotore è collegato a un generatore attraverso un cambio. Il cambio converte la rotazione a bassa velocità dell’albero motore in rotazione ad alta velocità abbastanza veloce da guidare il generatore e convertire l’energia meccanica sull’albero della turbina in energia elettrica utilizzando un campo elettromagnetico;

3. La corrente elettrica prodotta dal generatore scorre attraverso un cavo che scende attraverso l’interno della torre della turbina;

4. Un trasformatore step-up converte l’elettricità a una tensione più elevata in modo che possa essere trasmessa alla rete elettrica;