Turbine eoliche ad asse orizzontale o verticale – un confronto

In questo articolo presentiamo un’ overview sui differenti tipi di generatori eolici presenti sul mercato con le loro differenze, i vantaggi e gli svantaggi di ognuno, per offrirvi conoscenza e competenza, per l’energia di domani.

L’energia eolica è la protagonista dell’attuale scenario energetico: nel 2011 e nel 2012 la fonte energetica più installata in Europa è stata, e sarà, eolica. A livello globale, quasi la metà delle nuove turbine eoliche installate nel mondo sarà opera della Cina. Questo avviene per un motivo molto semplice: il livello evolutivo dell’energia eolica è arrivato oggi a completa maturazione. Le moderne tecniche aerodinamiche e di controllo generano efficienze elevatissime che si traducono in un costo per kWh ormai secondo solo all’energia idroelettrica e ai cicli a gas combinati di ultima generazione[1]. Ma quali e quanti sono i tipi di generatori eolici? In questo articolo un’overview sui differenti tipi di generatori eolici presenti sul mercato con le loro differenze, i vantaggi e gli svantaggi di ognuno, per offrirvi conoscenza e competenza, per l’energia di domani.

Classificazione e generalità

Sarebbe più corretto classificare le turbine eoliche in base al tipo di forza aerodinamica che esse sfruttano per generare il moto (portanza o trascinamento) ma esse verranno qui classificate raggruppandole in due macro-gruppi: turbine con asse del rotore orizzontale e turbine con asse del rotore verticale (in riferimento al terreno). Al fine di avere un quadro completo della suddivisione, nella figura 1, un’esposizione che illustra le “famiglie” di generatori eolici distinti fra asse verticale e asse orizzontale.

Fig. 1 – Distinzione dei principali tipi di generatori eolici per produzione di energia elettrica sulla base della geometria dell’asse del rotore e quindi della geometria delle pale che generano la forza rotante

Come si evince dalla Figura 1, mentre per le turbine ad asse orizzontale la geometria delle pale che raccolgono l’energia cinetica del vento è pressoché univoca, nelle classi di turbine ad asse verticale troviamo diversi tipi di soluzioni.Prima di riportare una breve descrizione dei vari tipi di turbina, è necessario chiarire come queste funzionino. I generatori eolici sono macchine che convertono l’energia cinetica presente nel vento in energia elettrica. Il funzionamento, al di là delle geometrie e delle particolarità, è schematizzabile come in Fig. 2 per ogni tipo di turbina.

Fig.2: struttura generale teorica di un generatore eolico e trasformazione da energia aerodinamica del vento in energia elettrica per la rete, in basso i rendimenti massimi teorici ottenibili per ogni passaggio.

Come si evince dalla figura 2 in un generatore eolico, generalmente, l’energia passa da aerodinamica a meccanica e da meccanica a elettrica. Questi passaggi non sono però “gratis”, durante ogni passaggio la quantità di energia trasmessa è sempre minore di quella all’inizio della trasformazione. Mentre però le perdite meccaniche, del sistema di controllo e di adattamento alla rete elettrica sono dell’ordine di qualche percentile, la conversione aerodinamica-meccanica ha un rendimento massimo ideale fissato al 59% se assumiamo valide le ipotesi del limite di Betz, come faremo in questo articolo [3].

Tale limite, ritenuto valido e utilizzato quando si tratta di eolico viste le ragionevoli ipotesi su cui si basa, stabilisce che l’energia teorica massima di un flusso d’aria cilindrico convertibile da aerodinamica a meccanica è pari a 16/27 di quella in ingresso ossia poco più del 59,2%. Se ne deduce che nessuna turbina avrà mai un rendimento aerodinamico maggiore di quello.

Ai fini di comparare le prestazioni delle varie turbine ci occuperemo di seguito della sola conversione aerodinamico/meccanica, anche in considerazione del fatto che le perdite di questa conversione costituiscono generalmente oltre l’80% delle perdite totali di un generatore eolico.

Assumendo quindi l’ipotesi di Betz vera, possiamo affermare che la potenza aerodinamica estraibile dal flusso ventoso è espressa dalla seguente relazione:

Dove:

ρ è la densità dell’aria [Kg/m3]

S è la superficie equivalente spazzata dal rotore della turbina [m2]

v è la velocità del vento [m/s]

Cp è il coefficiente di potenza che determina le perdite aerodinamiche [-]

Tralasciando quindi tutti gli altri coefficienti (che si possono assumere come costanti una volta individuato il sito e la geometria della pala), concentriamoci sul coefficiente di potenza (di seguito Cp), parametro che determina univocamente tutte le perdite aerodinamiche. Questo parametro dipende dalla geometria delle pale e della turbina, dalla velocità del vento, dall’inclinazione delle pale e quindi da tutti i parametri di forma del generatore eolico. Una volta tenuto conto dei parametri geometrici il coefficiente di potenza dipende soltanto dal TSR (Tip Speed Ratio). Questo parametro è indicativo del rapporto fra la velocità del rotore della turbina e la velocità del vento ed è definito come:

ωr è la velocità del rotore [m/s]

v è la già definita velocità del vento [rad/s]

r è il raggio (o raggio equivalente) del rotore

Come si intuisce, una volta fissata la velocità del vento, essendo il raggio della pala costante, il TSR dipende univocamente dalla velocità di rotazione della turbina stessa.

Avendo introdotto anche quest’ultimo parametro siamo pronti a analizzare le differenze di prestazione delle varie turbine eoliche. Nella Fig. 3, cui si farà più volte riferimento in seguito, si rappresenta l’andamento del punto di massimo del Cp (la traiettoria è sempre una funzione con un solo massimo assoluto) al variare del TSR per le principali tipologie di turbine eoliche esistenti.

Fig. 3: Andamento del massimo valore del coefficiente di potenza Cp al crescere del TSR per le principali tecnologie eoliche raffrontate anche con il limite di Betz.

Gli andamenti rappresentati in Fig. 3 sono emblematici: le turbine ad asse verticale hanno coefficienti di potenza minori di quelle classiche ad asse orizzontale; quest’ultime, infatti, raggiungono i massimi valori di efficienza con TSR più elevati ma danno prestazioni molto maggiori. Vedremo in seguito i perché di questi andamenti. Il controllo elettronico-digitale di ogni turbina è progettato e realizzato al fine di 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) è la cosiddetta power curve: essa è indispensabile e univoca per ogni turbina e rappresenta l’uscita di potenza elettrica al variare della velocità del vento. I suoi parametri fondamentali sono:

  • Il cut-in speed: la velocità del vento a cui la turbina inizia a produrre energia
  • Il rated wind speed: la velocità del vento minima a cui la turbina arriva alla potenza nominale
  • Il cut out speed: la velocità del vento a cui la turbina entra in protezione meccanica e smette di produrre per evitare di danneggiarsi

Possiamo ora affrontare specificamente le varie turbine eoliche, nei paragrafi successivi sarà effettuata una breve descrizione delle caratteristiche di ogni tipologia di macchina.

Generatore eolici ad asse orizzontale – hawt (Horizontal Axis Wind Turbine)

Questa classe di generatori corrisponde alla turbina “a elica” nell’immaginario collettivo, nonché alla quasi totalità delle turbine presenti nel mondo. In prima analisi si può affermare che le turbine ad asse orizzontale costituiscono il 99% delle turbine con potenza nominale maggiore di 10kW e ben l’84% delle turbine a tale soglia [2].

Le ragioni di questo enorme successo sono ovviamente da ritrovarsi nei rendimenti che sono, a parità di potenza, molto maggiori di quelle delle turbine ad asse verticale come già sottolineato dalla figura 3.

Questa famiglia di turbine è suddivisibile a sua volta così:

  • Turbine sopravento o upwind: sono la quasi totalità delle turbine ad asse orizzontale presenti nel mondo. In queste turbine, seguendo la direzione del flusso di vento, esso prima incontra il rotore, poi fluisce intorno all’hub (il bulbo della turbina) e quindi passa oltre. Il meccanismo di orientamento della pala in direzione del vento (se presente) agisce dopo il rotore.
  • Turbine sottovento o downwind: sono molto più rare delle upwind e funzionano praticamente al contrario. In queste turbine, il vento prima fluisce intorno all’hub poi investe il rotore e quindi passa oltre. Il meccanismo di orientamento della pala in direzione del vento (se presente) agisce prima del rotore.

Le turbine ad asse orizzontale possono avere 1,2,3 o più pale che costituiscono il rotore. Senza addentrarci nei particolari basti sapere che aumentare il numero di pale significa variare la velocità del rotore a parità di vento e coppia resistente. Questo modifica quindi il TSR. Numerosi studi sono stati compiuti in questo senso ma il risultato è, ancora una volta quello evidenziato dalla figura 3: la configurazione con 3 pale è quella che ha avuto maggior successo, essa rappresenta il tradeoff massimo fra l’obiettivo di non perturbare troppo il flusso d’aria (che deve rimanere quanto più laminare possibile) e la capacità di generare Cp elevati, in più consente di distribuire in modo più uniforme i momenti flettenti che agiscono sui cuscinetti dell’albero.

Vediamo quindi, in figura 4, una power curve di una turbina di dimensioni medio-piccole ad asse verticale tri-pala.[3]

Fig. 4: curva di potenza per una pala eolica da 5kW upwind e fotografie del modello in oggetto. [3]
La curva di figura 4 si può dire caratteristica di una classica turbina eolica: essa inizialmente cresce con il cubo della velocità del vento poi, quando il coefficiente di potenza moltiplicato per gli altri fattori comincerebbe a decrescere (in questo caso a circa 12 m/s), il controllo della turbina modifica il TSR al fine di mantenere il Cp al  massimo valore possibile fino alla velocità di cut-out.

Parametri medi per la turbina in esame:

TIPOLOGIA DI TURBINA costo
[€/kW]
Manutenzione Cp MAX TSR ideale Forza sfruttata
Asse orizzontale
HAWT
3000 [14] media, 1,5% annuo 0,5 8 lift (portanza)

Le turbine ad asse verticale – vawt – la turbina darreius

La turbina Darreiues è stato il primo concept di turbina ad asse verticale della storia. Progettato e realizzato per la prima volta dall’ingegnere aeronautico francese Georges Jean Marie Darreius nel 1931 essa rappresenta la “base” di costruzione per tutte le altre tipologie di turbine ad asse verticale.

Su tutta la classe di VAWT pesa il fatto che, mentre una parte del rotore, indipendentemente da dove provenga il vento, spira nella direzione del vento che aiuta il movimento delle pale, dall’altra parte il vento fluirà sempre nella direzione opposta alla rotazione. Questa semplice considerazione è alla base del minore rendimento aerodinamico rispetto alle HAWT.

Non volendo entrare nei dettagli aerodinamici delle forza agenti su una turbina Darreius ci limitiamo a riportare sotto la formula che esprime la coppia M che una turbina di questo tipo eroga durante il normale funzionamento:

Da cui la potenza:

Dove:

ρ è la densità dell’aria [Kg/m3]

H è l’altezza della turbina dal mozzo [m]

D è il diametro massimo delle pale della turbina [m]

v è la velocità del vento [m/s]

Cm è il coefficiente di coppia adimensionale tipico di ogni turbina Darreius che oscilla fra valori negativi (-0,1) e positivi (0,6) a seconda della posizione del rotore.

Cp è il coefficiente di potenza della turbina adimensionale indicato in Fig.3

Nella figura 5 si rappresenta sia il coefficiente di potenza sia la curva di potenza per una turbina Darreius.[4][5].

Fig.5: Andamento di un coefficiente di coppia per una turbina Darreius tri-pala, Power curve relativa e fotografie di turbine Darreius realmente installate. [4][5][6].
I vantaggi di queste macchine, individuabili soprattutto nella diversa geometria e nella loro capacità di assorbire meglio (attenzione non di più) i venti turbolenti, sono risibili rispetto ai loro grandi svantaggi quali:

  • Il più basso coefficiente di potenza rispetto alle turbine ad asse orizzontale
  • Le molte complicazioni meccaniche derivanti dall’assetto verticale, dalle oscillazioni di coppia dovute al coefficiente Cm, dalla difforme distribuzione della forza centripeta lungo l’albero motore che si traducono in un sovradimensionamento di tutta la macchina
  • Una manutenzione maggiore visti i maggiori sforzi meccanici
  • Un costo e una dimensione maggiore a parità di kWh prodotti
  • Le difficoltà all’avviamento della turbina tipiche di tutte le VAWT dipendenti dall’angolo di attacco che a volte costringono la rete ad aiutare il generatore a partire.

Parametri medi per la turbina in esame:

TIPOLOGIA DITURBINA costo

[€/kW]

Manutenzione Cp MAX TSR ideale Forza

sfruttata

Asse verticale

VAWT

2500 [14] media, 1,5% annuo 0,4 3 lift

(portanza)

Le turbine ad asse verticale – vawt – turbina Savonius

Le turbine Savonius sono state brevettate dall’ingegnere finlandese Sigurd J. Savonius per la prima volta nel 1922 e costituiscono una fra le strutture più semplici nella famiglia di turbine ad asse verticale.

Come accennato nel precedente paragrafo il maggiore handicap delle turbine ad asse verticale (che limita il loro rendimento) consiste nel fatto che, indipendentemente da come è strutturata la turbina, una parte di essa ruoterà in direzione opposta al vento e una a favore. La turbina Savonius concentra i suoi focus progettuali per evitare questo problema: essa è infatti costituita da due semigusci (nella versione più semplice) i quali non sono però uniti al rotore della turbina, bensì sono disposti in modo che una parte dei semigusci sia a comune e faccia fluire l’aria di spinta anche nella parte controvento (Si veda Figura 6). Facendo riefrimento alla fig. 6 Il rapporto fra la parte forata e e il diametro D della turbina è solitamente maggiore di 1/3 e si ottimizza verso il valore di 1/6.

Fig. 6: In alto a sinistra configurazione base e funzionamento di una turbina Savonius; a destra uno studio agli elementi finiti che mostra le linee di flusso dell’aria all’interno del rotore durante il funzionamento. Sotto un esempio commerciale di turbina, Geol 2kW e fotografia.[9]
Le turbine Savonius possono essere più o meno grandi (altezza e diametro) e con più o meno semigusci. Analisi agli elementi finiti e numerosi studi [8] hanno però concluso che la migliore configurazione di turbina Savonius è quella che prevede 2 semigusci e in cui l’altezza del rotore è doppia rispetto al suo diametro. Questa configurazione geometrica realizza il massimo Cp che varia ovviamente con il TSR;La potenza immessa in rete sarà pari a:

Il coefficiente di potenza Cp, come visto in Fig. 3 ha il suo massimo intorno al valore di 0,2 per TSR bassi che obbligano i progettisti a dimensionare la turbina per basse velocità di rotazione. Questa turbina risente di oscillazioni di coppia paragonabili a quelle della turbina Darreius.

Parametri medi per la turbina in esame:

TIPOLOGIA DI TURBINA costo

[€/kW]

Manutenzione Cp MAX TSR ideale Forza

sfruttata

Asse verticale

VAWT

2700 [14] bassa, 1% annuo 0,4 3 drag

(resistenza)

Le turbine ad asse verticale – vawt – la turbina Gorlov

La turbina Gorlov fu inventata dal professor Alexander M.Gorlov e brevettata fra il 1995 e il 2001. Questa turbina nasce essenzialmente come una derivazione evoluta della turbina Darreius. La sua caratteristica principale risiede nel twist delle pale del rotore. Le pale del rotore sono infatti “avvolte” intorno all’asse rotante con un certo angolo iniziale detto angolo di twist. Questa evoluzione nasce per riparare ad alcuni inconvenienti comuni a tutte le turbine ad asse verticale, introducendo:

  • Una migliore coppia rotante con minori effetti di inversione e una curva di coppia meccanica Cm più regolare
  • Una drastica riduzione dei problemi di avviamento dovuti all’angolo di presa del fluido. La coppia di spunto di tutte le VAWT dipende infatti dall’angolo con cui il fluido aderisce alla pala: se esso assume particolari valori la pala non inizia la rotazione; la turbina Gorlov, avendo pale twisted ha a disposizione lungo lo sviluppo del rotore un range di angoli di attacco validi per partire, accorgimento questo che facilita l’avvio.

I test [10] hanno dimostrato che il coefficiente di potenza Cp di queste turbine può arrivare e forse superare leggermente il valore di 0,3. Nella figura 7 un esempio di una turbina Gorlov e la sua corrispettiva power curve.

Fig.7: Esempio di turbina ad asse orizzontale con rotore Gorlov e sua corrispettiva power curve.[11]
Vale la pena sottolineare che la turbina Gorlov è ad oggi utilizzata anche come turbina principale per lo sfruttamento dell’ energia marina legata a  correnti o maree: essa sembra infatti adattarsi bene a fluidi compatti con alti numeri di Reynolds.

Non è di interesse qui indagare su altri tipi di turbine miste o ibride visto il loro limitato mercato e interesse odierno ne sui tecnicismi aerodinamici dei modelli che rimandiamo a successive analisi onde non dilungarsi inutilmente.

Parametri medi per la turbina in esame:

TIPOLOGIA DI TURBINA costo

[€/kW]

Manutenzione Cp MAX TSR ideale Forza

sfruttata

Asse verticale

VAWT

2800 [14] bassa, 1% annuo

rispetto al costo

0,32 5 lift+drag

(res.+port.)

Fig.7: Esempio di turbina ad asse orizzontale con rotore Gorlov e sua corrispettiva power curve.[11]

Confronto generale – asse orizzontale o asse verticale

Abbiamo fatto una veloce panoramica sulle tecnologie senza ovviamente entrare troppo nei tecnicismi di ogni turbina: è ora giunto il momento di trarre delle conclusioni mettendo a confronto i modelli analizzati in una vista globale. Nella tabella di Fig. 8 un confronto sui principali aspetti tecnici delle turbine eoliche ad asse orizzontale e verticale.

TIPOLOGIA DI TURBINA PREGI DIFETTI
Asse orizzontale HAWT Alta resa aerodinamica

Produzione di energia quasi doppia per una data area spazzatarispetto alle VAWT

Cut-in speed fisso e più basso rispetto alle VAWT

Maggiore rumorosità

a parità di potenza rispetto alle VAWT

Asse verticale VAWT Geometria più compatta

Minore emissione di rumore

Costo mediamente poco inferiore: circa 7-10% rispetto alle HAWT

Oscillazioni di coppia sull’albero rotore e quindi sui cuscinetti

Minore energia a parità di dimensioni rispetto alle HAWT

Cut-in speed dipendente dalle condizioni globali di vento e geometriche (parzialmente risolto dalla Gorlov)

Cut-in speed mediamente 30% più alti delle HAWT

Bassa resa aerodinamica

Conclusioni

Le turbine eoliche non sono altro che oggetti atti a convertire l’energia aerodinamica in meccanica e quindi in elettrica. La fluidodinamica è una scienza che si basa sulle equazioni di Navier-Stokes [13] le quali dipendono profondamente da parametri caratteristici del fluido, quali il numero di Reynolds e la sua densità.

L’aria, che muove le turbine eoliche, cambia molto le sue caratteristiche a seconda della velocità del vento, della temperatura e dell’umidità. Risulta per questo difficile precisare i coefficienti Cp delle varie turbine poiché essi sono influenzati anche dalle condizioni dell’aria. Nonostante questo e nonostante le equazioni della fluidodinamica siano oggi solo approssimate numericamente da programmi di simulazione,  i coefficienti che vi abbiamo mostrato non lasciano luogo a interpretazioni.

Le turbine ad asse orizzontale hanno prestazioni almeno del 40% superiori rispetto a quelle ad asse verticale. Questo è dovuto alla loro geometria che non oppone parti in rotazione a contrasto col vento bensì tutte le loro parti partecipano alla generazione di energia. Le uniche nicchie di mercato dove possono inserirsi le turbine ad asse verticale sono quelle applicazioni nelle quali è richiesta compattezza a basso impatto visivo (ma anche basse produzioni), laddove il rumore è una variabile fondamentale (le VAWT sono mediamente più silenziose) o laddove la geometria d’installazione lo imponga.

Un discorso a parte dovrebbe essere fatto per i regimi di vento turbolenti in direzione e intensità: le VAWT potrebbero vedere ridotto il loro incolmabile svantaggio nelle performance laddove l’installazione preveda venti turbolenti e con direzioni sempre in cambiamento. In queste situazioni le HAWT potrebbero accusare perdite di allineamento al flusso ventoso anche vicine al 15%. Fra gli studi di EnergyHunters in programma nel prossimo futuro vi è anche quello di investigare queste situazioni estreme anche se risulta estremamente complesso data la grande mole di variabili in gioco. Al momento, quello che sappiamo, è che l’energia eolica funziona, bene, grazie alle moderne tecniche di controllo aiutate dall’elettronica di potenza, e sappiamo che le turbine ad asse orizzontale sono migliori.

Ancora una volta questo articolo ci da modo di ribadire che l’energia eolica è una tecnologia matura, affidabile, malleabile e soprattutto totalmente rinnovabile e sostenibile; rinunciarvi o limitarne l’uso rappresenta una cosciente scelta contro la possibilità di avere vaste quantità di energia pulita, e questo non deve succedere se vogliamo un domani sostenibile per il mondo.

References

[1]: Studio tratto dal Energy Information Administration, Annual Energy Outlook 2011,

http://www.eia.doe.gov/oiaf/aeo/electricity_generation.html – le previsioni sono riferite al 2016.

[2]: Scelta e installazione delle mini turbine eoliche – Dott. Ing. Lorenzo Battisti – DIMS Università di Trento – www.qualeenergia.it

[3]: Dal database interno di turbine eoliche di EnergyHunters – modello presentato: Evance Wind R9000 – 5kW rated power – http://www.evancewind.com/.

[4]: Brief introduction to Darreius wind turbines – Manuel Franquesa Voneschen – http://www.amics21.com/laveritat/introduction_darrieus_wind_turbines.pdf

[5]: Ivon Paraschivoiu – Wind turbine design with enphasis on Darreius Concept – Press internationals Polytecnique – December 2009 – http://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cts=1331304223398&ved=0CD4QFjAB&url=http%3A%2F%2Fvitrine.entrepotnumerique.com%2Fo%2F188%2Fp%2F7493%2Fexcerpt&ei=HRdaT9SsNs_gtQao8pCiDA&usg=AFQjCNGPcfRx9fpfXcbg8XH2e1OM5DtWNg&sig2=VwegEIhAXH0gxM6VV_KfBQ

[6]: World’s tallest Darrieus wind turbine, Gaspé peninsula, Quebec, Canada – photo by: http://en.citizendium.org/wiki/File:Darrieus_Wind_Turbine.jpg

[7]: Jean-Luc Menet, Nachida Bourabaa: INCREASE IN THE SAVONIUS ROTORS EFFICIENCY VIA A PARAMETRIC INVESTIGATION – http://www.2004ewec.info/files/23_1400_jeanlucmenet_01.pdf

[8]: Aldoss T.K., Obeidat K.M.. Performance analysis of two Savonius rotors running side by side using the discrete vortex method. Wind Eng, 1987, 11-6, 265-276

[9]: http://www.newtak.net/

[10]: Alexander N., Alexander M. Gorlov, Valentin M. Silantyev Limits of the Turbine Efficiency for Free Fluid Flow

[11]: http://www.quietrevolution.com/index.htm – Modello: QR5 1.2, raccolto dal database di EnergyHunters

[12]:IN COPERTINA: EWEA,C.Wiles – European Wind Energy Association photo contest 2008 winner – www.ewea.org

[13]: http://it.wikipedia.org/wiki/Equazioni_di_Navier-Stokes

[14]: Dal database interno di turbine di EnergyHunters (oltre 290 turbine presenti da 0 a 100kW nominali) – fonte interna non diffusa.

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