TURBINE EOLICHE, COME FUNZIONANO E QUANTA ENERGIA PRODUCONO?

Il tema della “transizione energetica” è ormai all’ordine del giorno. La stessa Unione Europea si è posta una serie di obiettivi importanti che entro il 2050 dovrebbero portare alla completa decarbonizzazione del Vecchio Continente. Il cammino verso un orizzonte sostenibile passa soprattutto dalle fonti rinnovabili, tra cui annoveriamo anche l’energia prodotta dalle turbine eoliche.

La loro capacità di trasformare il vento in energia pulita le rende protagoniste nel tentativo di ridurre le emissioni di CO2 del nostro pianeta. Tuttavia, le turbine eoliche sono infrastrutture complesse ed in quanto tali richiedono una manutenzione continua per fornire prestazioni ottimali. 

Anche in questo caso i controlli non distruttivi offerti dall’endoscopia industriale vengono in nostro aiuto grazie ai videoscopi. Infatti, questi dispositivi rappresentano una soluzione tecnologica avanzata ai fini della manutenzione predittiva: consentono di ispezionare e monitorare i componenti interni delle turbine senza la necessità di smontaggi complessi.

Come funzionano le turbine eoliche?

Per comprendere quanto sia importante l’utilizzo dei videoscopi per l’ispezione delle turbine, è importante conoscere la complessità dei sistemi a pala eolica.

Il funzionamento delle pale è relativamente semplice: la loro movimentazione sospinta dal vento attiva il rotatore a cui sono collegate. L’energia meccanica prodotta da questo componente viene inviata ad un albero di trasmissione, che a sua volta è connesso ad un generatore elettrico. Per generare energia il vento deve presentare una velocità minima di 3-5 m/s. 

Ogni impianto può tollerare una soglia massima di potenza. Qualora questa dovesse essere raggiunta in presenza di venti eccessivamente forti, il generatore si blocca e al tempo stesso si attiva un sistema frenante per evitare che le componenti meccaniche delle turbine eoliche possano essere danneggiate.

Abbiamo visto come il sistema di trasmissione sia in pratica il cuore pulsante dell’impianto eolico. Si articola in tre principali moduli:

• modulo satellite: contiene gli ingranaggi satelliti, il portasatellite e i relativi cuscinetti. Questi componenti lavorano insieme per trasferire il movimento dalle pale verso il generatore;
• moduli paralleli: ospitano gli alberi a bassa, intermedia e alta velocità, ciascuno dotato di cuscinetti a rulli cilindrici e conici;
• ingranaggi e pignoni: essenziali per garantire la trasmissione fluida del movimento rotatorio. Tali elementi sono soggetti a sollecitazioni costanti che nel lungo periodo possono provocare usura e danni.

Una turbina eolica di media potenza (circa 2 MW) può includere fino a 20 cuscinetti e 9 ingranaggi. Un sistema così articolato necessita controlli periodici e regolari. L’utilizzo dei videoscopi è pensato per identificare in tempi rapidi possibili problematiche come scheggiature, sfaldamenti o deformazioni.

I componenti delle turbine eoliche

Nel paragrafo precedente abbiamo osservato il funzionamento delle turbine eoliche. La trasformazione del vento in energia pulita è possibile grazie a tecnologie sofisticate. Quali sono?

Scopriamo allora tutti i componenti delle turbine eoliche!

La torre

La torre è quella lunga struttura cilindrica – solitamente realizzata in acciaio – che sostiene il cuore della turbina. La sua funzione principale è quella di elevare le pale a un’altezza sufficiente per intercettare venti più forti e costanti, i quali si trovano tipicamente a decine di metri dal suolo. Maggiore è l’altezza della torre, maggiore sarà la quantità di energia prodotta. Non è raro che alcune torri superino i 100 metri, soprattutto nei modelli installati in mare aperto.

Alla base della torre troviamo solide fondazioni in cemento armato, essenziali per garantire stabilità all’intero impianto anche in condizioni di vento estremo.

La navicella

In cima alla torre è montata la navicella, una sorta di “cabina” all’interno della quale si concretizza il processo di trasformazione energetica. Al suo interno troviamo i principali dispositivi meccanici ed elettrici: l’albero che collega le pale al generatore, il sistema di trasmissione, il generatore stesso, oltre ai sistemi elettronici di controllo e monitoraggio.

La navicella non è fissa: può ruotare orizzontalmente per allinearsi alla direzione del vento grazie a un sistema chiamato yaw system. In questo modo, le pale lavorano sempre nella condizione più favorevole possibile.

Le pale e il rotore

Le pale, attaccate al cosiddetto rotore, sono la parte più visibile della turbina e anche quella che interagisce direttamente con il vento. Hanno una forma slanciata e aerodinamica, simile a quella delle ali di un aereo: questa particolare conformazione è progettata per generare una forza chiamata portanza, che induce il movimento rotatorio.

Le pale sono costruite con materiali leggeri ma resistenti, come la fibra di vetro o di carbonio, in grado di resistere a forti sollecitazioni meccaniche e ambientali. Il numero più comune è tre, una configurazione che rappresenta un compromesso ottimale tra efficienza e stabilità.

Quando il vento soffia sulle pale, queste iniziano a girare, e con loro anche l’albero collegato al rotore. Tuttavia, questo movimento è ancora troppo lento per produrre elettricità in modo efficiente: a questo punto entra in gioco il sistema di trasmissione.

Il sistema di trasmissione

In molte turbine, tra il rotore e il generatore è presente un moltiplicatore di giri. Questo sistema di ingranaggi prende il movimento relativamente lento delle pale e lo accelera, portandolo a velocità molto più alte, spesso superiori a 1.000 giri al minuto. Così facendo, il generatore può lavorare in modo ottimale, producendo energia in modo continuo ed efficiente.

Esistono anche turbine che non utilizzano ingranaggi: si chiamano direct drive, e collegano direttamente le pale al generatore. Sono più silenziose e richiedono meno manutenzione, ma sono generalmente più costose e pesanti.

Il generatore

Una volta che l’albero trasmette il movimento rotatorio, tocca al generatore elettrico fare il suo lavoro. Questo dispositivo converte l’energia meccanica delle pale in energia elettrica. Esistono diversi tipi di generatori, ma tutti funzionano grazie al principio dell’induzione elettromagnetica.

In molti casi, per evitare surriscaldamenti, il generatore è dotato di un sistema di raffreddamento, ad aria o a liquido, che mantiene sotto controllo la temperatura interna.

Il sistema di controllo

All’interno della navicella è presente anche il sistema di controllo elettronico, una sorta di cervello della turbina eolica. Grazie a sensori che rilevano la velocità e la direzione del vento, questo sistema può:

• orientare la navicella nella giusta direzione (yaw control);
• regolare l’inclinazione delle pale (pitch control) per adattarsi alla forza del vento;
• attivare i freni se la velocità supera i limiti di sicurezza.

Il controllo è continuo, automatico e spesso supervisionato a distanza tramite centri di monitoraggio.

Il sistema di frenatura

Quando il vento diventa troppo forte – oltre i 20-25 m/s – è necessario fermare la turbina per evitare danni. Per questo esiste un sistema di frenatura, che può essere:

• aerodinamico, regolando l’angolo delle pale;
• meccanico, bloccando fisicamente l’albero rotante;
• elettrico, dissipando l’energia nel generatore.

Queste soluzioni lavorano in sinergia per garantire la massima sicurezza anche in condizioni meteorologiche estreme.

Il trasformatore e la connessione alla rete

L’energia elettrica prodotta dal generatore ha una tensione troppo bassa per la rete elettrica nazionale. Ogni turbina eolica è dotata di un trasformatore, solitamente situato alla base della torre, che innalza la tensione per permetterne la trasmissione.

In un parco eolico, tutte le turbine sono collegate tra loro tramite cavi interrati o sottomarini (nel caso di impianti off-shore), e l’energia confluisce in una sottostazione che la immette nella rete elettrica pubblica.

Quante tipologie di turbine eoliche esistono?

L’immaginario comune ci porta a pensare ad una turbina eolica come ad una torre con in cima tre grandi pale bianche. In effetti, questa è la versione più diffusa, ma al tempo stesso non è l’unica. Quali sono allora le varie tipologie di turbine eoliche?

Turbine ad asse orizzontale

Le turbine ad asse orizzontale (la classica torre con tre pale bianche) sono le più comuni e probabilmente anche le più efficienti, soprattutto quando si parla di impianti industriali o grandi parchi eolici.

In questo tipo di turbina, l’asse di rotazione (cioè la linea immaginaria intorno alla quale ruotano le pale) è parallelo al terreno. Le pale, generalmente tre, sono montate frontalmente rispetto al vento e girano perpendicolarmente al flusso d’aria. L’intero sistema si orienta automaticamente nella direzione del vento, grazie a un meccanismo di rotazione della navicella posto in cima alla torre.

Esistono due configurazioni principali:

• sopravento (up-wind): il vento colpisce prima le pale e poi la torre. È la configurazione più utilizzata, perché evita che la struttura ostacoli il flusso d’aria;
• sottovento (down-wind): il vento arriva prima sulla torre e poi sulle pale. Meno diffusa, viene impiegata in alcuni casi per semplificare la progettazione della turbina o ridurre il carico meccanico su alcune componenti.

Turbine ad asse verticale

Accanto alle turbine orizzontali, troviamo quelle ad asse verticale, chiamate VAWT (Vertical Axis Wind Turbines). A prima vista sembrano molto diverse: non hanno le tipiche pale lunghe e slanciate, e non ruotano come un’elica, ma intorno a un asse che è perpendicolare al suolo. Alcune ricordano una spirale, altre delle ali che ruotano intorno a un cilindro.

Il vantaggio principale delle turbine verticali è che non hanno bisogno di orientarsi verso il vento: funzionano indipendentemente dalla direzione da cui soffia. Questo le rende ideali in ambienti dove il vento è instabile o turbolento, come tra gli edifici in città, su tetti o in aree montane.

Esistono vari modelli, ciascuno con una struttura e un principio di funzionamento leggermente diverso:

• le turbine Savonius, ad esempio, hanno pale a forma di mezzaluna o tamburo. Funzionano sfruttando la resistenza del vento, un po’ come un mulino. Sono semplici da costruire e avviano facilmente la rotazione anche con venti deboli, ma non sono molto efficienti per produrre grandi quantità di energia. Tuttavia, per piccoli impianti domestici o portatili, sono perfette;
• le turbine Darrieus, invece, hanno una forma più slanciata, ad arco, e si basano sul principio della portanza, come le ali di un aereo. Sono più efficienti delle Savonius, ma hanno bisogno di un sistema esterno per avviarsi, perché non riescono a partire da sole se non c’è abbastanza vento;
• i modelli H-rotor, una sorta di ibrido: usano pale dritte, montate su due bracci orizzontali, e combinano una buona efficienza con una struttura più stabile. Sono spesso scelti per installazioni su edifici, anche perché si integrano bene con l’architettura urbana.

Quanta energia produce una turbina eolica?

Una delle domande più comuni quando si parla di energia eolica è: “Ma quanto riesce davvero a produrre una turbina eolica?”. La risposta, come spesso accade, è: dipende. 

Ogni turbina viene progettata per avere una certa potenza nominale, espressa in kilowatt (kW) o megawatt (MW). Questo valore rappresenta la quantità massima di energia che la turbina è in grado di produrre in un determinato momento, quando il vento soffia a una velocità ideale, di solito intorno ai 12-15 metri al secondo. Ad esempio, una turbina da 3 MW può produrre 3.000 kW all’ora in condizioni ottimali.

Questo valore però non ci dice tutto: per capire quanta energia si può davvero produrre in un anno, dobbiamo considerare anche quanto spesso e quanto forte soffia il vento nel luogo di installazione.

Per valutare questo aspetto dobbiamo fare riferimento al capacity factor, ovvero il fattore di capacità. Esprime in percentuale quanta energia una turbina produce realmente rispetto a quella che potrebbe produrre se funzionasse al massimo della potenza 24 ore su 24.

In parole semplici, se una turbina da 2 MW ha un fattore di capacità del 30%, significa che in un anno fornirà circa il 30% dell’energia massima teorica.

Proviamo a fare un esempio per rendere il tutto più chiaro:

• una turbina da 2 MW, funzionante a pieno regime per un anno intero (8.760 ore), genererebbe 17.520 MWh;
• con un capacity factor del 30%, produrrà in realtà circa 5.256 MWh all’anno.

In Europa, il fattore di capacità medio per le turbine on-shore si aggira intorno al 25-35%, mentre per le turbine off-shore (installate in mare) può arrivare anche al 45-50%, grazie a venti più costanti e intensi.

Come avviene l’ispezione delle turbine eoliche?

Dopo aver appreso il funzionamento di un impianto eolico, osserviamo come avviene nella pratica l’ispezione delle turbine.

Prima di iniziare qualunque attività di manutenzione è doveroso assicurarsi che gli ambienti delle turbine eoliche siano agibili. Infatti, i vapori d’olio caldi, rilasciati durante l’apertura dei portelli del sistema di trasmissione, possono essere molto pericolosi. Di conseguenza, è fondamentale aprire le aperture della carlinga e attendere il raffreddamento del sistema, in quanto la temperatura interna può raggiungere anche i 70°.

Una volta prese le dovute precauzioni l’operatore può entrare in azione. Gli ingranaggi e i cuscinetti del modulo satellite vengono ispezionati attraverso portelli laterali posizionati strategicamente, attraverso i quali si farà passare la sonda con il videoscopio per analizzare i vari elementi.

L’utilizzo di ottiche a messa a fuoco ravvicinata e di guide flessibili consente di navigare con precisione tra le componenti, evitando il contatto con superfici oleose. 

L’ispezione dei moduli paralleli, i quali ospitano gli alberi ed i relativi cuscinetti, è resa possibile dai portelli superiori delle turbine eoliche. Questi ultimi presentano dimensioni più ampie rispetto ai portelli laterali visti in precedenza e consentono di utilizzare guide rigide pensate per raggiungere le aree più profonde.

Gli alberi a bassa, intermedia e alta velocità devono essere attenzionati con particolare attenzione, poiché i loro cuscinetti sono soggetti a sollecitazioni continue.

I vantaggi dei videoscopi per l’ispezione degli impianti eolici

L’utilizzo dei videoscopi facilita le operazioni di manutenzione delle turbine eoliche. Gli strumenti, grazie alle tecnologie avanzate che li caratterizzano, restituiscono immagini ad alta risoluzione. L’applicazione di sorgenti di luci a led sulle sonde assicura una buona visibilità anche nelle aree più buie, rendendo possibile l’identificazione precoce di difetti come microfessure, pitting o abrasioni sui denti degli ingranaggi e sui rulli dei cuscinetti.

I componenti delle turbine eoliche sono caratterizzati da dimensioni variabili. Per esaminarli tutti accuratamente bisogna affidarsi a dispositivi flessibili, proprio come i videoscopi. I loro diametri di pochi millimetri sono ideali per raggiungere le aree più ostiche. Inoltre, i loro sistemi ottici sono studiati per offrire la migliore messa a fuoco ravvicinate, fondamentale per effettuare un’ispezione dettagliata.

Le dimensioni dei componenti variano notevolmente all’interno di una turbina eolica, richiedendo strumenti flessibili. I videoscopi offrono scopi intercambiabili di diametro variabile (4 mm per spazi ristretti, 6 mm o più per superfici più grandi) e ottiche a messa a fuoco ravvicinata per analisi dettagliate. Questa flessibilità consente di adattare l’ispezione alle esigenze specifiche di ogni componente.

Tra i punti di forza di questi strumenti c’è indubbiamente l’adattabilità all’ambiente di lavoro. Le ispezioni delle turbine eoliche avvengono spesso in ambienti difficili, come alte torri e spazi ristretti all’interno della carlinga. 

I videoscopi portatili sono leggeri, resistenti agli urti e progettati per resistere a vibrazioni e temperature elevate. Insomma, hanno tutte le caratteristiche per svolgere al meglio le operazioni di manutenzione. 

La tecnologia nel campo dell’endoscopia industriale ha fatto negli ultimi decenni passi da gigante. Ormai tutti i videoscopi sono correlati da software, utili a catalogare le immagini raccolte per creare report e storici delle ispezioni, in maniera tale da avere sempre sotto controllo lo stato di usura delle turbine eoliche.

Tutto il panorama di funzioni offerto da tali strumenti si traduce nella possibilità di identificare qualunque sorta di difetto in una fase precoce evitando interventi di emergenza molto più complessi e difficoltosi. Di conseguenza, l’efficacia fornita dalla manutenzione predittiva nelle ispezioni delle turbine eoliche comporta ovviamente anche una riduzione dei tempi di fermo degli impianti, che potranno continuare a produrre energia pulita contribuendo sempre più ad un futuro ecosostenibile. 

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