A volte è difficile immaginare l'aria come un fluido. Sembra proprio così... invisibile. Ma l'aria è un fluido come un altro, tranne per il fatto che le sue particelle sono sotto forma di gas anziché di liquido. E quando l'aria si muove velocemente, sotto forma di vento, quelle particelle si muovono velocemente. Movimento significa energia cinetica, che può essere catturato, proprio come l'energia nell'acqua in movimento può essere catturata dalla turbina in una diga idroelettrica. Nel caso di a turbina eolica , le pale della turbina sono progettate per catturare l'energia cinetica del vento. Il resto è quasi identico a un impianto idroelettrico:quando le pale della turbina catturano l'energia eolica e iniziano a muoversi, fanno girare un albero che porta dal mozzo del rotore a un generatore. Il generatore trasforma quell'energia rotazionale in elettricità. Nella sua essenza, generare elettricità dal vento significa trasferire energia da un mezzo all'altro.
L'energia eolica inizia tutto con il sole. Quando il sole riscalda una certa area di terra, l'aria intorno a quella massa terrestre assorbe parte di quel calore. A una certa temperatura, che l'aria più calda inizia a salire molto rapidamente perché un dato volume di aria calda è più leggero di un uguale volume di aria più fredda. Le particelle d'aria che si muovono più velocemente (più calde) esercitano una pressione maggiore rispetto alle particelle che si muovono più lentamente, quindi ne occorrono meno per mantenere la normale pressione dell'aria a una data elevazione (vedi Come funzionano le mongolfiere per saperne di più sulla temperatura e la pressione dell'aria). Quando quell'aria calda più leggera si alza improvvisamente, l'aria più fresca fluisce rapidamente per colmare il vuoto lasciato dall'aria calda. Quell'aria che entra per riempire il vuoto è vento.
GrazieGrazie a Willy Cheng per il suo aiuto con questo articolo.Se metti un oggetto come una pala di un rotore nel percorso di quel vento, il vento spingerà su di essa, trasferendo parte della propria energia di movimento alla lama. Ecco come una turbina eolica cattura l'energia dal vento. La stessa cosa accade con una barca a vela. Quando l'aria in movimento spinge sulla barriera della vela, fa muovere la barca. Il vento ha trasferito la propria energia di movimento alla barca a vela.
Nella prossima sezione esamineremo le diverse parti di una turbina eolica.
Contenuti
La turbina eolica più semplice possibile è costituita da tre parti cruciali:
Ora che abbiamo esaminato un sistema semplificato, passeremo alla tecnologia moderna che vedi oggi nei parchi eolici e nei cortili rurali. È un po' più complesso, ma i principi di fondo sono gli stessi.
Quando si parla di moderne turbine eoliche, stai guardando due design principali:asse orizzontale e asse verticale. Turbine eoliche ad asse verticale ( VAWT ) sono piuttosto rari. L'unica attualmente in produzione commerciale è la turbina Darrieus, che sembra un frullino per le uova.
Foto per gentile concessione di NREL (a sinistra) e Solwind Ltd
Turbine eoliche ad asse verticale (a sinistra:turbina Darrieus)
In un VAWT, l'albero è montato su un asse verticale, perpendicolare al suolo. I VAWT sono sempre allineati con il vento, a differenza delle loro controparti ad asse orizzontale, quindi non c'è bisogno di aggiustamenti quando cambia la direzione del vento; ma un VAWT non può iniziare a muoversi da solo:ha bisogno di una spinta dal suo sistema elettrico per iniziare. Invece di una torre, in genere utilizza cavi tiranti per il supporto, quindi l'elevazione del rotore è inferiore. Elevazione più bassa significa vento più lento a causa dell'interferenza del suolo, quindi i VAWT sono generalmente meno efficienti degli HAWT. Al rialzo, tutte le apparecchiature sono a livello del suolo per una facile installazione e manutenzione; ma ciò significa un ingombro maggiore per la turbina, che è un grande negativo nelle aree agricole.
Darrieus-design VAWT
I VAWT possono essere utilizzati per turbine su piccola scala e per pompare acqua nelle aree rurali, ma tutti prodotti commercialmente, le turbine eoliche su scala industriale sono turbine eoliche ad asse orizzontale ( HAWT ).
Foto per gentile concessione di GNU; Fotografo:Kit Conn
Parco eolico in California
Come suggerisce il nome, l'albero HAWT è montato orizzontalmente, parallela al suolo. Gli HAWT devono allinearsi costantemente al vento utilizzando un meccanismo di regolazione dell'imbardata. Il sistema di imbardata è tipicamente costituito da motori elettrici e riduttori che muovono l'intero rotore a sinistra oa destra in piccoli incrementi. Il controller elettronico della turbina legge la posizione di un dispositivo a banderuola (meccanico o elettronico) e regola la posizione del rotore per catturare la maggior parte dell'energia eolica disponibile. Gli HAWT utilizzano una torre per sollevare i componenti della turbina a un'elevazione ottimale per la velocità del vento (e quindi le pale possono liberare il terreno) e occupano pochissimo spazio a terra poiché quasi tutti i componenti sono fino a 260 piedi (80 metri) nel aria.
Componenti HAWT di grandi dimensioni:
Dall'inizio alla fine, il processo di generazione di elettricità dal vento -- e consegna dell'elettricità alle persone che ne hanno bisogno -- assomiglia a questo:
A differenza del vecchio mulino a vento olandese, che si affidava principalmente alla forza del vento per spingere le pale in movimento, le moderne turbine usano più sofisticate aerodinamico principi per catturare l'energia del vento nel modo più efficace. Le due principali forze aerodinamiche al lavoro nei rotori delle turbine eoliche sono sollevamento , che agisce perpendicolarmente alla direzione del flusso del vento; e lagna , che agisce parallelamente alla direzione del flusso del vento.
Le pale delle turbine hanno la forma molto simile alle ali degli aeroplani:usano un profilo alare design. In un profilo alare, una superficie della lama è leggermente arrotondata, mentre l'altro è relativamente piatto. L'ascensore è un fenomeno piuttosto complesso e potrebbe infatti richiedere un dottorato di ricerca. in matematica o fisica per comprendere appieno. Ma in una spiegazione semplificata dell'ascensore, quando il vento viaggia sopra l'arrotondato, faccia sottovento della pala, deve muoversi più velocemente per raggiungere l'estremità della pala in tempo per incontrare il vento che viaggia in piano, lato sopravvento della pala (rivolto nella direzione da cui soffia il vento). Poiché l'aria in movimento più veloce tende a salire nell'atmosfera, il sottovento, superficie curva finisce con una tasca a bassa pressione appena sopra. L'area di bassa pressione aspira la pala nella direzione sottovento, un effetto noto come "sollevamento". Sul lato sopravvento della pala, il vento si muove più lentamente e crea una zona di maggiore pressione che spinge sulla pala, cercando di rallentarlo. Come nella progettazione di un aeroplano, un elevato rapporto portanza-resistenza è essenziale nella progettazione di una pala efficiente. Le pale della turbina sono attorcigliate in modo da poter sempre presentare un angolo che sfrutta il rapporto di forza di sollevamento/resistenza ideale. Guarda come funzionano gli aeroplani per saperne di più sull'ascensore, resistenza e l'aerodinamica di un profilo alare.
L'aerodinamica non è l'unica considerazione progettuale in gioco nella creazione di una turbina eolica efficace. Taglia importa -- più lunghe sono le pale della turbina (e quindi maggiore è il diametro del rotore), maggiore è l'energia che una turbina può catturare dal vento e maggiore è la capacità di generazione di elettricità. Parlando in generale, raddoppiando il diametro del rotore si ottiene un aumento di quattro volte della produzione di energia. In alcuni casi, però, in una zona a bassa velocità del vento, un rotore di diametro inferiore può finire per produrre più energia di un rotore più grande perché con una configurazione più piccola, ci vuole meno energia eolica per far girare il generatore più piccolo, quindi la turbina può funzionare a piena capacità quasi tutto il tempo. Altezza della torre è un fattore importante nella capacità di produzione, anche. Più alta è la turbina, più energia può catturare perché la velocità del vento aumenta con l'aumento dell'elevazione:l'attrito del suolo e gli oggetti a livello del suolo interrompono il flusso del vento. Gli scienziati stimano un aumento del 12% della velocità del vento con ogni raddoppio dell'elevazione.
Per calcolare la potenza che una turbina può effettivamente generare dal vento, è necessario conoscere la velocità del vento nel sito della turbina e la potenza nominale della turbina. La maggior parte delle grandi turbine produce la sua potenza massima a velocità del vento di circa 15 metri al secondo (33 mph). Considerando la velocità del vento costante, è il diametro del rotore che determina quanta energia può generare una turbina. Tieni presente che all'aumentare del diametro del rotore, aumenta anche l'altezza della torre, il che significa più accesso a venti più veloci.
Dimensioni del rotore e potenza massima in uscita
A 33 miglia orarie, le turbine più grandi generano la loro capacità di potenza nominale, e a 45 mph (20 metri al secondo), la maggior parte delle grandi turbine si spegne. Ci sono un certo numero di sistemi di sicurezza che può spegnere una turbina se la velocità del vento minaccia la struttura, compreso un sensore di vibrazione straordinariamente semplice utilizzato in alcune turbine che consiste fondamentalmente in una sfera di metallo attaccata a una catena, in bilico su un minuscolo piedistallo. Se la turbina inizia a vibrare al di sopra di una certa soglia, la palla cade dal piedistallo, tirando la catena e innescando uno spegnimento.
Probabilmente il sistema di sicurezza più comunemente attivato in una turbina è il "sistema di frenata , che è innescato da velocità del vento al di sopra della soglia. Queste configurazioni utilizzano un sistema di controllo della potenza che essenzialmente colpisce i freni quando la velocità del vento diventa troppo alta e quindi "rilascia i freni" quando il vento è tornato sotto i 45 mph. I moderni progetti di turbine di grandi dimensioni utilizzano diversi tipi di sistemi di frenatura:
(Vedi Aerodinamica di base di Petester per una bella spiegazione sia del sollevamento che del fermo.)
Globalmente, almeno 50, 000 turbine eoliche producono un totale di 50 miliardi di chilowattora (kWh) all'anno. Nella sezione successiva, esamineremo la disponibilità di risorse eoliche e quanta elettricità le turbine eoliche possono effettivamente produrre.
Su scala globale, le turbine eoliche stanno attualmente generando la stessa quantità di elettricità di otto grandi centrali nucleari. Ciò include non solo le turbine su larga scala, ma anche piccole turbine che generano elettricità per singole abitazioni o aziende (a volte utilizzate in combinazione con l'energia solare fotovoltaica). Un piccolo, La turbina da 10 kW di capacità può generare fino a 16, 000 kWh all'anno, e una tipica famiglia statunitense ne consuma circa 10, 000 kWh in un anno.
Una tipica turbina eolica di grandi dimensioni può generare fino a 1,8 MW di elettricità, o 5,2 milioni di KWh all'anno, in condizioni ideali, sufficienti per alimentare quasi 600 famiglie. Ancora, le centrali nucleari ea carbone possono produrre elettricità in modo più economico rispetto alle turbine eoliche. Allora perché usare l'energia eolica? I due principali motivi per utilizzare il vento per generare elettricità sono i più ovvi:l'energia eolica è pulire , e la sua rinnovabile . Non rilascia gas nocivi come CO2 e ossidi di azoto nell'atmosfera come fa il carbone (vedi Come funziona il riscaldamento globale), e non corriamo il rischio di rimanere senza vento presto. C'è anche l'indipendenza associata all'energia eolica, poiché qualsiasi paese può generarlo in patria senza alcun sostegno straniero. E una turbina eolica può portare elettricità in aree remote non servite dalla rete elettrica centrale.
Ma ci sono aspetti negativi, pure. Le turbine eoliche non possono sempre funzionare al 100% di potenza come molti altri tipi di centrali elettriche, poiché la velocità del vento varia. Le turbine eoliche possono essere rumorose se vivi vicino a un impianto eolico, possono essere pericolosi per uccelli e pipistrelli, e nelle aree desertiche più dure c'è il rischio di erosione del suolo se si scava il terreno per installare le turbine. Anche, poiché il vento è una fonte di energia relativamente inaffidabile, gli operatori di impianti eolici devono supportare il sistema con una piccola quantità di dati affidabili, energia non rinnovabile per i periodi in cui la velocità del vento diminuisce. Alcuni sostengono che l'uso di energia non pulita per sostenere la produzione di energia pulita annulla i benefici, ma l'industria eolica sostiene che la quantità di energia non pulita necessaria per mantenere una fornitura costante di elettricità in un sistema eolico è troppo piccola per vanificare i vantaggi della generazione di energia eolica.
Potenziali svantaggi a parte, gli Stati Uniti hanno un buon numero di turbine eoliche installate, per un totale di più di 9, 000 MW di capacità di generazione nel 2006. Tale capacità genera circa 25 miliardi di kWhof di elettricità, che sembra molto, ma in realtà è meno dell'1% dell'energia generata nel paese ogni anno. A partire dal 2005, La produzione di elettricità negli Stati Uniti si suddivide in questo modo:
Fonte:Associazione americana per l'energia eolica
L'attuale produzione totale di elettricità negli Stati Uniti è nell'area di 3,6 trilioni di kWh ogni anno. Il vento ha il potenziale per generare molto più dell'1% di quell'elettricità. Secondo l'American WindEnergy Association, il potenziale di energia eolica degli Stati Uniti stimato è di circa 10,8 trilioni di kWh all'anno, circa pari alla quantità di energia in 20 miliardi di barili di petrolio (l'attuale fornitura globale annuale di petrolio). Per rendere fattibile l'energia eolica in una data area, richiede velocità del vento minime di 9 mph (3 metri al secondo) per le piccole turbine e 13 mph (6 metri al secondo) per le grandi turbine. Quelle velocità del vento sono comuni negli Stati Uniti, anche se la maggior parte di essa non è imbrigliata.
Quando si tratta di turbine eoliche, il posizionamento è tutto. Sapendo quanto vento ha una zona, quali sono le velocità e quanto durano queste velocità sono i fattori decisivi cruciali nella costruzione di un parco eolico efficiente. L'energia cinetica nel vento aumenta esponenzialmente in proporzione alla sua velocità, quindi un piccolo aumento della velocità del vento è in effetti un grande aumento del potenziale di potenza. La regola generale è che con il raddoppio della velocità del vento si ottiene un aumento di otto volte del potenziale di potenza. Quindi, in teoria, una turbina in un'area con una velocità media del vento di 26 miglia all'ora genererà effettivamente otto volte più elettricità di una configurazione in cui la velocità del vento è in media di 13 miglia all'ora. È "teoricamente" perché le condizioni del mondo reale, c'è un limite alla quantità di energia che una turbina può estrarre dal vento. Si chiama limite di Betz, ed è circa il 59%. Ma un piccolo aumento della velocità del vento porta ancora a un aumento significativo della potenza.
Come nella maggior parte delle altre aree di produzione di energia, quando si tratta di catturare energia dal vento, l'efficienza arriva in gran numero. Gruppi di grandi turbine, chiamato centrali eoliche o piante eoliche, sono l'uso più efficiente in termini di costi della capacità di energia eolica. Le turbine eoliche più comuni su scala industriale hanno capacità di potenza comprese tra 700 KW e 1,8 MW, e sono raggruppati insieme per ottenere la massima elettricità dalle risorse eoliche disponibili. In genere sono distanziati l'uno dall'altro nelle zone rurali con alte velocità del vento, e la piccola impronta di HAWT significa che l'uso agricolo della terra è quasi inalterato. I parchi eolici hanno capacità che vanno da pochi MW a centinaia di MW. Il più grande impianto eolico del mondo è il Raheenleagh Wind Farm, situato al largo della costa irlandese. A piena capacità (attualmente funziona a capacità parziale), avrà 200 turbine, una potenza totale di 520 MW e la costruzione è costata quasi 600 milioni di dollari.
Il costo dell'energia eolica su larga scala è diminuito drasticamente negli ultimi due decenni a causa dei progressi tecnologici e di progettazione nella produzione e nell'installazione delle turbine. All'inizio degli anni '80, l'energia eolica costa circa 30 centesimi per kWh. Nel 2006, l'energia eolica costa da 3 a 5 centesimi per kWh dove il vento è particolarmente abbondante. Maggiore è la velocità del vento nel tempo in una data area della turbina, minore è il costo dell'energia elettrica prodotta dalla turbina. In media, il costo dell'energia eolica è di circa 4-10 centesimi per kWh negli Stati Uniti.
Confronto dei costi energeticiMolte grandi compagnie energetiche offrono" prezzi verdi " programmi che consentono ai clienti di pagare di più per kWh per utilizzare l'energia eolica invece dell'energia proveniente dalla "potenza del sistema, " che è il pool di tutta l'energia elettrica prodotta nella zona, rinnovabile e non rinnovabile. Se scegli di acquistare energia eolica e vivi nelle vicinanze di un parco eolico, l'elettricità che usi in casa potrebbe essere effettivamente generata dal vento; più spesso, il prezzo più alto che paghi va a sostenere il costo dell'energia eolica, ma l'elettricità che usi in casa proviene ancora dall'alimentazione del sistema. Negli stati in cui il mercato dell'energia è stato liberalizzato, i consumatori possono essere in grado di acquistare "elettricità verde" direttamente da un fornitore di energia rinnovabile, nel qual caso l'elettricità che usano nelle loro case proviene sicuramente dal vento o da altre fonti rinnovabili.
L'implementazione di un piccolo impianto eolico per le proprie esigenze è un modo per garantire che l'energia utilizzata sia pulita e rinnovabile. Una configurazione di una turbina residenziale o aziendale può costare ovunque da $ 5, 000 a $ 80, 000. Un impianto su larga scala costa molto di più. Una sola, La turbina da 1,8 MW può funzionare fino a $ 1,5 milioni installati, e questo non include la terra, linee di trasmissione e altri costi di infrastruttura associati a un sistema eolico. Globale, i parchi eolici costano nell'area di $ 1, 000 per kW di capacità, quindi un parco eolico composto da sette turbine da 1,8 MW gestisce circa $ 12,6 milioni. Il "tempo di ammortamento" per una grande turbina eolica - il tempo necessario per generare elettricità sufficiente a compensare l'energia consumata nell'edificio e nell'installazione della turbina - è di circa tre-otto mesi, secondo l'American Wind Energy Association.
Gli incentivi statali per i produttori sia grandi che piccoli contribuiscono alla fattibilità economica di un sistema eolico. Alcuni degli attuali programmi di incentivazione economica per i sistemi di energia rinnovabile includono:
Foto per gentile concessione di NREL (a sinistra) e stock.xchng
Turbina eolica residenziale (a sinistra) e turbina eolica su scala industriale
Mentre l'energia eolica è ancora sovvenzionata dal governo, è attualmente un prodotto competitivo e, dalla maggior parte dei conti, può reggersi da solo come una valida fonte di energia. Il Laboratorio Battelle Pacific Northwest, un laboratorio di scienze e tecnologie energetiche del Dipartimento degli Stati Uniti, stima che l'energia eolica sia in grado di fornire il 20% dell'elettricità degli Stati Uniti solo grazie alle risorse eoliche. L'American Wind Energy Association mette quel numero al 100% teorico. Qualunque sia la stima giusta, gli Stati Uniti probabilmente non vedranno quelle percentuali in qualunque momento presto. L'American Wind Energy Association prevede che entro il 2020, il vento fornirà il 6% di tutta l'elettricità degli Stati Uniti. Mentre gli Stati Uniti hanno una delle più grandi basi di energia eolica installata al mondo in termini di wattaggio, in percentuale, è in ritardo rispetto ad altri paesi sviluppati. Il Regno Unito ha un obiettivo dichiarato del 10 percento di energia eolica entro il 2010. La Germania attualmente genera l'8 percento della sua energia dal vento, e la Spagna è al 6%. Danimarca, il leader mondiale nel consumo di energia pulita, ottiene più del 20 per cento della sua elettricità dal vento.
Per ulteriori informazioni sull'energia eolica e argomenti correlati, controlla i link nella pagina successiva.
Articoli correlati a HowStuffWorks
