Le turbine eoliche sono dispositivi che estraggono l’energia cinetica dal vento e la convertono in energia meccanica, che viene poi ulteriormente convertita nella forma più utilizzabile di energia elettrica.
L’energia sfruttata dal vento fornisce attualmente circa il 10% dell’approvvigionamento energetico mondiale, con la sua presenza nel settore delle energie rinnovabili destinata ad aumentare man mano che il suo potenziale viene ulteriormente realizzato. Per rimanere competitivi con le tecnologie esistenti, l’ottimizzazione dell’efficienza delle turbine eoliche è cruciale e dettata dalla progettazione ingegneristica integrata da una scelta giudiziosa dei materiali. Inoltre, i materiali dovrebbero essere durevoli, idealmente riciclabili, e a basso costo in termini di fabbricazione in modo da non compensare l’impatto ambientale positivo e i vantaggi economici dell’energia eolica.
Una turbina eolica consiste di tre componenti principali: la torre, la carlinga e le pale del rotore.
Fig 1. La Danimarca è un forte sostenitore dell’energia eolica, con turbine eoliche che appaiono anche nelle isole Faroe.
Torre
La torre fornisce il supporto strutturale su cui poggiano la gondola e le pale del rotore ed è fatta di acciaio tubolare, cemento o traliccio di acciaio. Naturalmente, i materiali devono essere forti e robusti per resistere a condizioni ambientali difficili e a forti venti.
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Nacella
La gondola ospita il macchinario interno incluso il generatore, che converte l’energia meccanica in energia elettrica. Dato che la gondola contiene principalmente parti meccaniche del funzionamento della turbina eolica, i materiali non sono particolarmente soggetti a molte deviazioni e variazioni.
Fig 2. Fig. 2. Componenti meccanici interni della navicella di una turbina eolica.
Pala del rotore
Il rotore genera una coppia aerodinamica dal vento con il suo movimento rotatorio quando le pale girano. L’ottimizzazione della forma e del materiale delle pale dovrebbe permettere alla lama di girare più velocemente e catturare il vento a velocità inferiori per aumentare l’efficienza della turbina. La forma della pala del rotore deve essere aerodinamica, proprio come le ali di un aereo. Il materiale delle pale deve migliorare piuttosto che ostacolare la loro aerodinamica e soddisfare i seguenti criteri: alta rigidità per un’aerodinamica ottimale, bassa densità per ridurre le forze gravitazionali, e lunga vita a fatica per ridurre il degrado del materiale. Una durata di 20 anni è di solito lo standard industriale per una lunga vita a fatica, che sostiene 108-109 cicli di stress che il materiale può gestire prima di fallire.
Nella valutazione delle ampie categorie di materiali disponibili, schiume, polimeri e gomme vengono eliminati a causa della loro rigidità e densità inadeguate per una trave a sbalzo che serve come modello per la pala del rotore. Le ceramiche non reggono bene ai carichi di fatica a lungo termine, il che significa che possono fratturarsi facilmente. Rimangono quindi i legni e i compositi che soddisfano questi requisiti del materiale. Il legno è un’opzione ecologica con il vantaggio di avere una bassa densità. Tuttavia, la sua bassa rigidità rende il materiale suscettibile di flessione e deflessione nel vento, compromettendo gravemente l’efficienza complessiva della turbina. I materiali compositi rimangono la scelta più pratica e prevalente. All’interno di questa famiglia di materiali, viene esplorata una ricca varietà di possibilità innovative.
Fig 3. Pale del rotore che si preparano ad essere assemblate.
Fibre
I materiali fibrosi sono caratterizzati dal fatto che sono significativamente più lunghi che larghi. L’eccezionale forza e rigidità delle fibre le rende eccellenti candidate per i materiali delle pale delle turbine, dove le lunghe fibre forniscono rigidità longitudinale quando sono allineate parallelamente lungo la lunghezza della pala. Le fibre sono spesso fragili e possono spezzarsi facilmente, quindi non sono usate da sole come materiale ma piuttosto come rinforzi additivi.
Le fibre di carbonio hanno proprietà meccaniche superiori con alta rigidità, alta resistenza e bassa densità, anche se insieme a costi più elevati. Sono composte da atomi di carbonio puro come unità ripetute esagonali in un reticolo cristallografico disposte l’una sull’altra in piani, con forze forti all’interno del piano e forze deboli tra i piani. Questo dà origine a un’elevata anisotropia con proprietà di alta rigidità e di espansione termica. La bassa densità delle pale in fibra di carbonio offre una maggiore lunghezza senza l’onere di un maggiore peso, aumentando così l’efficienza della turbina. Inoltre, le pale più leggere riducono il peso complessivo e lo sforzo della navicella
Le fibre di vetro sono disponibili a un costo inferiore rispetto alle loro controparti in carbonio, e sono quindi più diffuse nell’industria. Sono composte principalmente da SiO2 e Al2O3, con altri ossidi presenti in piccole quantità. Poiché non c’è ordine cristallografico, il materiale ha una struttura amorfa con proprietà isotrope. Questo significa che le sue proprietà come la rigidità e l’espansione termica sono coerenti lungo e attraverso la fibra. Le fibre di vetro hanno un diametro di 10-20 μm e sono di moderata rigidità, alta resistenza e moderata densità. Scopri di più sul vetro alluminosilicato qui.
- Vetro E, o vetro elettrico fatto di allumino-borosilicato caratterizzato dalla sua alta resistenza elettrica.
- Vetro S, o vetro ad alta resistenza fatto di alluminosilicato di magnesio ma con costi più elevati.
Le fibre aramidiche sono fibre sintetiche che sono altamente resistenti al calore, rendendole adatte per le turbine eoliche che operano in temperature estreme. Le fibre sono composte da catene aromatiche di poliammide tenute insieme da forti legami idrogeno che contribuiscono alla tenacità della fibra.
Matrice polimerica
La matrice polimerica fornisce il supporto strutturale legando insieme le fibre e consiste di due classi principali: termoindurenti e termoplastiche. La principale differenza fisica tra loro è il loro comportamento a diverse temperature. Puoi imparare di più sulle differenze qui.
I termoindurenti contengono polimeri fortemente reticolati insieme in legami chimici irreversibili. Questo li rende resistenti alle alte temperature e rimangono in uno stato solido permanente una volta raffreddati. Questo può eventualmente dare origine a tensioni interne nella struttura del composito. Esempi di polimeri termoindurenti sono i seguenti:
- Poliesteri insaturi: Generale Polietilene tereftalato, amorfo
- Vinilesteri: Generale Estere vinilico (VE)
- Epossidi: Generale Epossido; Epossidico (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Le termoplastiche contengono polimeri che mancano di questi forti legami chimici in modo che le interazioni siano reversibili. Si ammorbidiscono quando vengono riscaldati, consentendo la possibilità di rimodellare e riparare quando necessario. Tuttavia, questa proprietà li fa anche fondere ad alte temperature, rendendoli impraticabili per alcune delle dure condizioni che le turbine eoliche devono sopportare.
- Generale Acrilnitrile-butadiene-stirene + Policarbonato (ASA+PC)
Quando sono combinati insieme, le fibre e la matrice polimerica formano un materiale composito con proprietà chimiche e fisiche diverse dai loro singoli costituenti. Il materiale risultante è rinforzato con proprietà complementari che compensano i deficit dell’altro. I comuni materiali compositi contenenti fibre utilizzati nelle pale delle turbine sono con vetro e carbonio. Le fibre lunghe forniscono rigidità e forza, mentre la matrice polimerica supporta le fibre fornendo resistenza fuori dal piano, flessibilità, resistenza alla frattura e maggiore rigidità. In una composizione e combinazione ottimizzata, le pale risultanti sono leggere con eccellenti proprietà meccaniche.
- Poliammide generale 4T (PA4T+GF30), materiale composito rinforzato con il 30% di fibra di vetro
