POTENZA DI UNA TURBINA EOLICA

Nel processo di conversione di energia che riguarda un impianto eolico (conversione dell'energia cinetica del vento in meccanica e da meccanica in elettrica), la quantita' di energia trasmessa in ciascuna trasformazione e' sempre minore dell'energia messa a disposizione dal vento. Questo e' dovuto alle perdite meccaniche del sistema di controllo e di adattamento alla rete elettrica di un aerogeneratore, ma dipende anche dal fatto che la conversione aerodinamica-meccanica ha un rendimento massimo ideale, fissato dal limite di Betz. Tale limite stabilisce che l'energia teorica massima di un flusso d'aria cilindrico, convertibile da aerodinamica in meccanica, e' 16/27 di quella in ingresso, cioe' poco piu' del 59,2%. Se ne deduce che nessuna turbina potra' avere un rendimento aerodinamico maggiore.

Che potenza e' possibile estrarre da una pala eolica?	La potenza aerodinamica estraibile dal flusso ventoso e' data dalla seguente relazione: dove: ρ e' la densità dell'aria, espressa in kg/m³. A e' l'area spazzata dal rotore della turbina, espressa in m². v e' la velocità del vento, espressa in m/s. Cp e' il coefficiente di potenza della turbina eolica; esso determina tutte le perdite aerodinamiche. In pratica, Cp misura il rapporto tra la potenza disponibile del vento e quella effettivamente estratta. Si tratta di un parametro che dipende dalla geometria della turbina e da quella delle pale, ma anche dalla velocita' del vento, dall'inclinazione delle pale e da tutti i parametri di forma del generatore eolico. Una volta fissati i parametri geometrici e tenuto conto del sito nel quale verra' installato l'aerogeneratore, il coefficiente di potenza Cp dipende soltanto dal TSR (Tip Speed Ratio).
Cosa e' il TSR?	Questo parametro e' indicativo del rapporto fra la velocita' del rotore della turbina e la velocia' del vento; esso e' definito come: dove: ω_r e' la velocità del rotore, espressa in m/s. v e' la velocità del vento, espressa in rad/s. r e' il raggio del rotore. Una volta fissata la velocita' del vento, essendo il raggio della pala costante, il TSR dipende univocamente dalla velocita' di rotazione della turbina stessa, come si nota dalla sua espressione.
Nelle principali tipologie di turbine eoliche, come varia il coefficiente di potenza Cp del rotore al variare del TSR?	Osservando il grafico si vede come le turbine ad asse verticale hanno coefficienti di potenza minori rispetto alle turbine ad asse orizzontale.
Cosa e' la curva di potenza di una turbina eolica?	Il controllo di ogni turbina e' finalizzato a massimizzare il valore di Cp in ogni condizione di velocità del vento e quindi per diversi valori di TSR. Il risultato di tutta la catena di conversione (cinematica-meccanica-elettrica) e' la cosiddetta curva di potenza (power curve), che risulta indispensabile ed univoca per ogni turbina e che rappresenta l'uscita di potenza elettrica dalla turbina al variare della velocita' del vento. I suoi parametri fondamentali sono: il cut-in wind speed: la velocita' del vento a cui la turbina inizia a produrre energia elettrica in quantita' utilizzabili; il rated wind speed: la minima velocita' del vento a cui la turbina arriva a produrre la potenza nominale dichiarata dal costruttore; il cut-out wind speed: la velocita' del vento a cui la turbina entra in protezione meccanica e smette di produrre per evitare di danneggiarsi. Nella figura che segue e' rappresentata la curva di potenza di una turbina eolica da 600 kW: Dall'andamento del grafico si nota che: il cut-in wind speed e' di 5 m/s; il rated wind speed e' pari a 15 m/s; la potenza erogata rimane costante sul valore nominale fino al raggiungimento del cut-out wind speed che e' pari a 27 m/s. Oltrepassata la soglia massima tollerata, l'aerogeneratore si mette in sicurezza ed interrompe la produzione di energia elettrica per evitare danneggiamenti.