Convertire il vento in elettricità o: il doppiamente

Per secoli l’umanità ha raccolto energia dal vento. La pratica risale almeno alla Persia dell'VIII secolo, dove arrivarono le prime testimonianze storiche conosciute di mulini a vento, ma probabilmente si estende anche più indietro di quella data. Rispetto alla lunga storia dell’uso diretto dell’energia eolica per fare cose come macinare il grano, pompare acqua, segare il legno o produrre tessuti, la produzione di elettricità è ancora relativamente nuova. Nonostante ciò, esistono alcuni modi interessanti per utilizzare il vento per produrre elettricità. A causa della natura imprevedibile del vento da un momento all’altro, utilizzarlo per far funzionare un grande generatore collegato alla rete non è così semplice come potrebbe sembrare. Diamo un'occhiata a quattro tipi di configurazioni di turbine eoliche e al modo in cui ciascuna di esse affronta i cambiamenti improvvisi della velocità del vento.

Innanzitutto, però, è importante notare che i modelli di vento dell’ordine di un anno o più in una particolare area sono ben noti e utilizzati per la progettazione dei parchi eolici. Inoltre, le previsioni della velocità del vento su scale temporali più brevi come un giorno o una settimana sono sufficientemente accurate da ottenere una stima molto precisa delle capacità di produzione di energia su tali scale temporali, sebbene vi sia un grande malinteso pubblico sul fatto che il vento non sia una fonte affidabile di elettricità perché non sempre soffia. Al contrario; previsioni estremamente accurate della velocità media del vento sono disponibili con ore e giorni di anticipo grazie alle buone previsioni meteorologiche ottenute negli ultimi decenni, consentendo a generatori come gli impianti a combustibili fossili di ridurre la produzione man mano che diventa disponibile più produzione eolica con abbondanza di preavviso.

Anche se le previsioni del vento a lungo e breve termine sono estremamente affidabili, le raffiche di vento sono molto più difficili da gestire e rimangono una sfida per qualsiasi turbina eolica. Anche se potrebbe essere facile pensare che una turbina applichi semplicemente un freno meccanico per rallentare la rotazione quando si verifica una raffica, per le turbine di grandi dimensioni questa generalmente non è una soluzione economicamente fattibile. Significherebbe inviare tecnici a sostituire costantemente le pastiglie dei freni, per non parlare delle sollecitazioni meccaniche sulla turbina che la costante azione frenante causerebbe. Sebbene esistano anche sistemi di inclinazione delle pale, noti anche come freni aerodinamici, che possono girare le pale (o solo le punte delle pale) dentro o fuori dal vento per rimanere il più vicino possibile alla velocità di rotazione di progetto ideale della turbina, questi sistemi di inclinazione i sistemi sono ancora troppo lenti per alcune raffiche.

I freni meccanici sono però necessari. Solitamente vengono utilizzati solo durante un arresto di emergenza quando un tecnico è in pericolo fisico, come ultima risorsa per fermare un grave evento di velocità eccessiva se il sistema di inclinazione delle pale si guasta o per "parcheggiare" temporaneamente il rotore della turbina durante determinati processi di manutenzione solo dopo sono stati applicati i freni aerodinamici. Anche le turbine offline, come quelle in attesa di sostituzione del generatore o del cambio, potrebbero non utilizzare il freno a lungo termine, poiché le turbine con le pale inclinate fuori dal vento possono “girare” per lunghi periodi di tempo anche in caso di vento forte senza rischi.

Anche per le attività di manutenzione che richiedono l'arresto completo della rotazione della turbina, vengono generalmente utilizzati solo per il tempo necessario a installare un meccanismo di bloccaggio del rotore. Invece di utilizzare questi freni per controllare la velocità di rotazione durante il funzionamento, sono state trovate soluzioni elettriche molto più intelligenti al problema delle raffiche di vento che riducono la quantità di energia sprecata, riducono la quantità di manutenzione che altrimenti sarebbe necessaria sui sistemi frenanti. e che a volte possono raccogliere l'energia dalla raffica stessa. La prima soluzione è incredibilmente semplice.

La turbina eolica di tipo 1, a volte definita turbina a velocità fissa, in realtà non si preoccupa molto di gestire cambiamenti brevi e transitori della velocità del vento. L'utilizzo delle proprietà intrinseche di un generatore a induzione risolve questo problema senza sforzo. In questa configurazione, l'uscita del generatore è collegata direttamente alla rete e l'inerzia della rete lo mantiene per lo più alla corretta velocità di rotazione. Quando arriva una raffica, il generatore semplicemente “scivolerà” leggermente oltre la sua velocità sincrona, per poi tornare allo stato normale dopo aver assorbito la raffica. Se la raffica è eccessiva, le turbine di questa categoria possono anche utilizzare un “freno” elettrico che scarica l’energia in eccesso in un banco di resistori o in un dispositivo equivalente, rallentando leggermente la turbina.