Perché le turbine eoliche hanno 3 eliche?

L’utilizzo della forza del vento risale a migliaia di anni fa; è infatti oltre ad oltre mille fa in Persia che risale l’evidenza più remota dell’utilizzo di mulini a vento. Queste macchine si sono però evolute da semplici meccanismi in grado di rompere il grano e pompare acqua ad enormi torri in grado di generare abbastanza elettricità da rifornire intere città. Le turbine eoliche usate nella storia hanno adottato diverse forme e strutture, ma tutte si sono recentemente adattate allo schema delle tre eliche. Questo video di Real Engineering risponda alla domanda sul perchè le turbine eoliche hanno tre eliche.

Ogni elica può essere immaginata come una chiave usata per stringere un bullone: se aumentiamo la lunghezza della chiave aumentiamo la capacità di questa di generare torsione, la forza che causa la rotazione. Inoltre, se aggiungiamo una seconda chiave possiamo aumentare ancora di più la torsione generata. Lo stesso principio sia applica alle turbine eoliche, si potrebbe quindi pensare ad aggiungere quante più eliche e renderle quanto più lunghe possibile.

La turbina eolica più grande, la Vestas v164, in Danimarca, ha un diametro di 164 metri, ogni elica pesa 33 tonnellate e costa centinaia di migliaia di euro. Pertanto più eliche significa maggior peso e maggior costo. Paragoniamo la turbina eolica standard da tre eliche alle sue dirette competitrici, le turbine a 4 ed a 2 eliche. Assumiamo che la forma e dimensione delle eliche sia identica e che cambi solo il loro numero. La turbina a 4 eliche viene facilmente scartata per una questione di costo: l’aggiunta di una quarta elica aggiunge un aumento marginale dell’efficienza che non giustifica il costo aggiunto.

Una turbina a 2 eliche, invece può facilmente ottenere performance simili alla turbina a 3 eliche, aumentando la lunghezza della corda del 50%, ovvero la distanza il bordo di entrata e di uscita dell’elica. Questo però aumenta il costo, eliminandone il vantaggio. Oppure la turbina a 2 eliche più aumentare la sua velocità di rotazione del 22.5%. Le turbine a due eliche ruotano a maggior velocità rispetto a quelle a tre eliche per l’attrito ridotto, ma una maggior rotazione comporta uno svantaggio. Innanzitutto un’elica che ruota più velocemente produce più rumore, cosa che in generale non fa piacere alle persone che abitano vicino a queste costruzioni.

In secondo luogo bisogna anche considerare le forza centrifuga prodotta dalla rotazione; a velocità di rotazione maggiore il peso apparente delle eliche aumenta rendendo necessario aumentare la resistenza delle eliche e del complesso centrale, il che aggiunge un ulteriore costo di produzione. Velocità di rotazioni troppo elevate aumentano il rischio di gravi incidenti in caso di forti venti.

In conclusione una turbina a 3 eliche può generare più energia ed a velocità di rotazioni minori di una turbina a 2 eliche e avere un rapporto efficienza/costo migliore di una turbina a 4 eliche.

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