Come il vento soffia, così fanno anche le pale dei mulini a vento e delle turbine eoliche . Queste enormi macchine a pale esistono da oltre 1.000 anni, con i primi mulini a vento apparsi in Persia intorno all'800 d.C.
Questi primi mulini a vento erano usati esattamente per ciò che suggerisce il loro nome: erano mulini azionati dal vento. Il vento fa girare le pale, o pale, del mulino a vento, ruotando un albero centrale, che poi fa girare un mulino per cereali, di solito fatto di grandi pietre piatte, per produrre farina e altri prodotti a base di cereali. Questi mulini a vento servivano anche a un altro scopo vitale: pompare acqua nelle città e nelle case. Piuttosto che far girare un mulino per cereali, la rotazione del mulino a vento potrebbe essere utilizzata per azionare una pompa.
Mentre i mulini a vento esistono da secoli, le turbine eoliche esistono solo dal 1888 circa, quando la prima turbina eolica conosciuta creata per la produzione di elettricità negli Stati Uniti fu costruita dall'inventore Charles Brush per creare elettricità per la sua villa in Ohio. Le turbine eoliche vengono utilizzate per generare elettricità dalla rotazione delle pale, piuttosto che convertire semplicemente l'energia di rotazione in un lavoro più meccanico, come girare un mulino o pompare acqua.
"Una turbina eolica negli Stati Uniti è alta circa 85 metri, mentre il mulino più vecchio in genere non supererebbe gli 80 piedi (24 metri)", afferma James Herzing, ingegnere e ospite pluripremiato del podcast Unprofessional Engineering , in un'intervista via e-mail. "La dimensione delle vele o delle pale è un'altra grande differenza. I mulini a vento sono tradizionalmente misurati dal diametro delle ruote, e non è raro vedere un mulino a vento di 8 piedi (2 metri), dove 8 piedi sono misurati attraverso le pale. Vento. le turbine, d'altra parte, possono avere una singola pala ben oltre 100 piedi (30 metri) ".
Come funzionano i mulini a vento
Mentre i mulini a vento sono alcune delle macchine più antiche e vitali per la civiltà e generalmente sono usati per pompare acqua o macinare grano, hanno alcune altre differenze funzionali rispetto alla tecnologia delle turbine eoliche molto più recente.
Le pale di un mulino a vento sono vicine al suolo e quindi devono sfruttare le correnti d'aria vicino al suolo per ruotare. Poiché le correnti del vento sono generalmente meno vicine alla superficie terrestre di quanto non lo siano nelle atmosfere più alte, i mulini a vento devono avere pale più grandi per catturare quanto più vento possibile.
Sebbene i mulini a vento esistano dall'800 d.C. circa, si sono diffusi in popolarità a metà del 1800. Spinto dalla rivoluzione industriale nei decenni successivi al 1850, più di 6 milioni di mulini a vento meccanici furono installati solo negli Stati Uniti per alimentare pompe e fabbriche e soddisfare altre esigenze energetiche.
Questa popolarità è stata guidata dalla semplicità dei mulini a vento come generatori di energia meccanica. Mettendo semplicemente in alto un mulino a vento con molte pale, potresti ottenere rapidamente l'accesso a una fonte di energia meccanica gratuita. Attraverso la rotazione delle pale, quell'energia rotazionale potrebbe essere utilizzata per azionare le macchine tramite ingranaggi o utilizzata per spingere e tirare l'acqua dal terreno con semplici pompe a ventosa.
Mentre i mulini a vento venivano resi popolari nell'industria moderna, un'altra invenzione veniva sviluppata e perfezionata: il generatore.
Piuttosto che essere in grado di utilizzare un mulino a vento solo quando soffia il vento, un generatore consentirebbe di immagazzinare l'energia rotazionale convertendola in elettricità. Pertanto, lo sviluppo delle turbine eoliche è stato il passo successivo per perfezionare i dispositivi di sfruttamento dell'energia eolica.
Come funzionano le turbine eoliche
Per catturare correnti d'aria più forti, una turbina eolica raggiunge centinaia di piedi più in alto nel cielo rispetto a un mulino a vento. Utilizza gli stessi principi funzionali di un mulino a vento, trasformando il vento in energia rotazionale, ma ciò che fa dopo è diverso. Le turbine eoliche hanno generatori al loro interno, solitamente collegati direttamente a un'asta a palette rotanti. Facendo girare il generatore, viene prodotta una corrente elettrica che può essere utilizzata per caricare le batterie, immettere nella rete o far funzionare direttamente i dispositivi elettronici. Il modo migliore per capire come funziona è considerare un motore , ma al contrario . Un motore elettrico utilizza l'elettricità per creare movimento, mentre una turbina eolica utilizza il movimento per produrre elettricità.
Più specificamente, le pale di una turbina eolica catturano l'energia cinetica - energia creata dal movimento - del vento e la trasformano in energia rotazionale. Questa energia rotazionale viene quindi alimentata attraverso una serie di ingranaggi per aumentare la velocità di un generatore.
Queste turbine generalmente iniziano a produrre energia a velocità del vento da 5 a 10 miglia all'ora (da 8 a 16 chilometri all'ora) e si spengono ad alte velocità vicino a 60 mph (96 km / h) in modo che non funzionino male o si danneggino, secondo il American Wind Energy Association .
Sebbene le turbine eoliche producano elettricità, non sono tecnicamente efficienti come i mulini a vento. Le turbine eoliche hanno un'efficienza massima del 59 percento, qualcosa noto come limite di Betz. Ciò è dovuto all'incapacità di sfruttare tutta l'energia del vento e alle inefficienze nel convertire l'energia rotazionale in energia meccanica.
Dall'antica tecnologia all'energia del futuro
Anche con le loro inefficienze, le turbine eoliche sono il modo per sfruttare il vento e creare elettricità del futuro. James afferma di "vedere le turbine eoliche come parte integrante della riduzione e, infine, dell'eliminazione della nostra dipendenza dai combustibili di carbonio. Un tipico progetto eolico ripaga la sua impronta di carbonio entro sei mesi, fornendo decenni di energia a emissioni zero. Infatti , alcuni paesi come la Scozia hanno già investito abbastanza nell'energia eolica da poter produrre energia sufficiente per alimentare due Scozia! "
Nel 2018, l'eolico ha generato circa il 5% dell'elettricità globale , rendendola la seconda fonte rinnovabile più grande, dopo l'energia idroelettrica. Dal primo utilizzo del mulino a vento come spina dorsale meccanica della prima civiltà persiana e cinese, alle enormi turbine eoliche di oggi, la tecnologia sottostante è destinata a rimanere.
Ora è interessante
Le turbine eoliche hanno solo tre pale per mantenere costante il loro momento angolare. Con tre lame, quando una punta verso l'alto, le due rivolte verso il basso ad angolo bilanciano perfettamente le forze. Se le turbine eoliche avessero più di tre pale, sarebbero instabili o troppo pesanti per essere efficienti.
