Pale per turbine eoliche - aerodinamica
Le pale giranti per impianti eolici sono modellate per generare la massima potenza dal vento al minimo costo. Principalmente il design è dettato da requisiti aerodinamici ma, per motivi economici, la forma della pala è spesso compromessa nel tentativo di contenere i costi di costruzione entro limiti ragionevoli. In particolare, la pala tende ad essere più spessa rispetto alle misure aerodinamiche ottimali in prossimità della radice, dove le sollecitazioni dovute al piegamento sono maggiori.
Pale per turbine eoliche - Progettazione
Il processo di progettazione delle pale inizia con un compromesso, basato sulla "migliore stima", fra efficienza aerodinamica e strutturale. Anche la scelta dei materiali e il processo di produzione hanno un’influenza su quanto può essere fine (e pertanto ideale dal punto di vista aerodinamico) la pala. La forma aerodinamica prescelta influisce sui carichi, che sono usati nella progettazione strutturale ed eventuali problemi individuati in questa fase possono successivamente essere utilizzati per modificare la forma e ricalcolare le prestazioni aerodinamiche.
Lunghezza
La lunghezza della pala determina quanta energia eolica può essere catturata, in funzione della "area spazzata" dal disco rotore. Di tutta l’energia del vento, solo circa la metà può essere realisticamente estratta (limite di Betz).
Sezione aerodinamica
Le pale hanno un profilo aerodinamico in piano verticale per creare portanza e far ruotare la turbina.
Pianta ellittica
La forma ellittica si restringe verso la punta per mantenere un effetto di rallentamento costante nell’area spazzata. Questo fa sì che l’aria non fuoriesca dalla turbina troppo lentamente (causando turbolenza), né che vi passi attraverso troppo rapidamente (il che rappresenterebbe uno spreco di energia).
Spessore dell’elemento di sostentamento
Per poter sopportare i carichi strutturali e i momenti flettenti, lo spessore è maggiore verso la radice. Se i carichi non fossero importanti, allora il rapporto sezione spessore/corda sarebbe di circa il 10-15% per l’intera lunghezza. Per migliorare l’efficienza aerodinamica possono essere usate, in prossimità della radice, le sezioni "a dorso piatto".
Svergolamento della pala
L’angolo del vento apparente cambia lungo la pala a causa dell’incremento della velocità della pala stessa. Quindi, per mantenere un angolo di attacco ottimale della sezione della pala al vento, questa deve essere svergolata nel senso della lunghezza.
Numero di pale e velocità di rotazione
Tipicamente la velocità di rotazione viene scelta perché la punta si muova a sette-dieci volte la velocità del vento e di solito non vi sono più di tre pale. A velocità più elevate, e in presenza di un maggior numero di pale, ogni pala deve essere più stretta – quindi più fine – il che rende più difficile effettuare la costruzione con un sufficiente grado di resistenza. A velocità di rotazione molto elevate, le pale iniziano inoltre a essere aerodinamicamente inefficienti, rumorose ed esposte a erosione e impatti con uccelli. A basse velocità di rotazione, la turbolenza di scia e la perdita delle punte riducono l’efficienza, mentre i carichi assiali sugli altri componenti aumentano.
Comando del passo
Poiché la potenza del vento varia così tanto, la turbina deve essere in grado di generare energia in condizioni di vento leggero e sopportare i carichi in presenza di venti molto più forti. Pertanto, al di sopra della velocità del vento ottimale, le pale sono normalmente inclinate verso il vento (messa in bandiera) o in direzione contraria al vento (stallo attivo), al fine di ridurre l’energia generata e regolare i carichi.
Pale per turbine eoliche – Design composito
Anche la scelta dei materiali e il processo di manifattura hanno un impatto su quanto fine (e quindi ideale dal punto di vista aerodinamico) può essere costruita la pala e a quali costi. Pertanto, il processo di ingegnerizzazione strutturale riveste un ruolo fondamentale nel mettere insieme tutte le discipline della progettazione e della costruzione e produrre la soluzione ottimale in termini di prestazioni e costi, definendo l’aerodinamica ottimale.
Pale per turbine eoliche – Metodo di fabbricazione
La progettazione strutturale di una pala è strettamente collegata al metodo di costruzione; entrambi devono essere tenuti presenti per consentire la produzione di una pala economicamente vantaggiosa e affidabile. Vi sono due approcci alla costruzione di pale per turbine eoliche, con l’opzione di usare tecnologia di pre-impregnazione o di infusione. La scelta del processo di costruzione è soggetta a una gran mole di dibattiti all’interno dell’industria eolica. Il processo per infusione è comunemente percepito come quello più economico per via dei minori costi. Le pale in pre-impregnato ottimizzano le proprietà della resina, consentono un più alto livello di automazione e un processo più uniforme e offrono la possibilità di ridurre il peso delle pale. Una pala dal peso ridotto riduce il carico sia sulla pala che sul generatore, offrendo la possibilità di ridurre anche i costi e l’usura sugli altri componenti dell’aerogeneratore.
Pale per turbine eoliche – Fornitura di materiali
Gurit fornisce materiali al mercato dell’energia eolica per la costruzione di pale composite dal 1995 ed è attivamente coinvolta nello sviluppo di materiali specializzati per pale dal momento che la loro progettazione è cresciuta rapidamente per dimensioni e complessità. Gurit vanta un portafoglio prodotti che copre tutti gli approcci di costruzione fra cui la laminazione bagnata, l’infusione di resina e il pre-impregnato. Nonostante Gurit produca anche sistemi di resina a laminazione bagnata, il focus dello sviluppo è sulla tecnologia dei pre-impregnati e dell’infusione e sui prodotti associati.