2026-07-10 13:32:33
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Nel corso degli anni, i parchi eolici si sono diffusi in tutto il mondo. L'attenzione di quasi tutti si è concentrata sulle tre iconiche pale delle turbine eoliche ad asse orizzontale. E a ragione: le grandi turbine eoliche ad asse orizzontale offrono una potenza impressionante e un'elevata efficienza, fungendo da spina dorsale della generazione di energia eolica connessa alla rete.
Ma non tutti i siti sono adatti ad ospitare una torre eolica ad asse verticale (HAWT) alta cento metri. Tetti urbani, piattaforme galleggianti offshore, avamposti remoti: in questi contesti, la turbina eolica ad asse verticale (VAWT) inizia a rivelare i suoi vantaggi unici.
Negli ultimi anni, le turbine eoliche ad asse verticale (VAWT) sono tornate al centro del dibattito. Non perché superino le turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWT) in termini di prestazioni pure, ma perché sono più semplici da gestire e più adattabili.
Questo articolo esamina nel dettaglio il componente più critico di qualsiasi turbina eolica ad asse verticale (VAWT), ovvero le pale, e analizza lo stato attuale della tecnologia.
Siamo sinceri: una turbina eolica ad asse verticale (VAWT) non può eguagliare l'efficienza di generazione di energia di una turbina eolica ad asse orizzontale (HAWT) con una superficie spazzata equivalente. Ma i suoi vantaggi risiedono altrove.
Il generatore, il riduttore e gli altri componenti pesanti possono essere posizionati a livello del suolo o a bassa quota. La torre non deve resistere a momenti flettenti enormi e le squadre di manutenzione non devono mai scalare una struttura alta cento metri. Questo da solo riduce drasticamente i costi di gestione e manutenzione. Avendo meno parti in movimento rispetto a una turbina eolica ad asse orizzontale (HAWT), un sistema VAWT è intrinsecamente più affidabile.
La direzione del vento in ambito urbano cambia costantemente. Una turbina eolica ad asse orizzontale (HAWT) richiede un meccanismo di imbardata per seguire il vento, e questi sistemi sono un punto debole comune nel tempo. Una turbina eolica ad asse verticale (VAWT) accetta il vento da qualsiasi direzione senza discriminazioni: non vi è perdita di imbardata e non vi sono guasti correlati all'imbardata.
Il rapporto di velocità periferica (TSR) di una turbina eolica ad asse verticale (VAWT) è di gran lunga inferiore a quello di una turbina eolica ad asse orizzontale (HAWT). Una bassa velocità di rotazione si traduce in una bassa rumorosità: è possibile ottenere un funzionamento quasi silenzioso. Soprattutto nei progetti integrati negli edifici, una VAWT funziona in modo più silenzioso e la sua forma si integra più naturalmente nell'ambiente architettonico.
Le turbine eoliche ad asse verticale (VAWT) non sono quindi destinate a sostituire le turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWT). Hanno trovato la loro collocazione in nuovi scenari applicativi: generazione distribuita, energia eolica offshore galleggiante e microreti urbane.
Le pale sono il cuore di una turbina eolica ad asse verticale (VAWT). In base al loro principio di funzionamento, si dividono in due categorie: a sollevamento e a trascinamento. La differenza di prestazioni tra le due tipologie è sostanziale.
Solidità: il parametro che definisce il comportamento della pala
Prima di addentrarci nel confronto, esiste un parametro chiave che definisce le caratteristiche delle pale: la solidità (σ).
σ = N × c / D
dove N è il numero di pale, c è la lunghezza della corda della pala e D è il diametro del rotore. La solidità determina direttamente l'inviluppo operativo Cp-TSR del rotore:
Elevata solidità (σ > 0.4): basso TSR, facile autoavviamento, Cp inferiore — la caratteristica distintiva dei rotori a trascinamento.
Bassa solidità (σ < 0.2): elevato TSR, alta efficienza, ma scarsa capacità di autoavviamento — caratteristica tipica dei rotori a sollevamento.
In sostanza, solidità, Cp e TSR formano una relazione a tre vie. Una volta compreso questo, si comprende la differenza fondamentale tra pale di tipo portante e pale di tipo trascinante.
Le pale portanti assomigliano alle ali degli aerei. Quando il vento scorre sulla superficie della pala, la differenza di velocità del flusso d'aria tra la superficie superiore e quella inferiore crea un differenziale di pressione, generando la portanza. La componente tangenziale di questa forza di portanza aziona il rotore.
Selezione del profilo alare: serie NACA 00xx
Per le turbine eoliche ad asse verticale di tipo H, i profili alari più comunemente utilizzati sono quelli simmetrici della serie NACA 00xx, come ad esempio NACA 0012, 0015 e 0018. La designazione a due cifre rappresenta il rapporto spessore/corda in percentuale. Un profilo più spesso offre una migliore integrità strutturale a scapito di una leggera riduzione dell'efficienza aerodinamica; un profilo più sottile offre un rapporto portanza/resistenza superiore, ma richiede una maggiore precisione di fabbricazione. La scelta dipende dall'intervallo del numero di Reynolds di funzionamento e dalle dimensioni del rotore: le turbine di piccole dimensioni utilizzano in genere i profili NACA 0012-0015, mentre le turbine di medie e grandi dimensioni tendono a utilizzare i profili NACA 0018-0021 per una maggiore affidabilità strutturale.
Configurazione di tipo H
La configurazione di sollevamento più diffusa è quella a H, in cui diverse pale dritte sono collegate all'albero centrale tramite bracci di supporto orizzontali, assumendo la forma di una H se viste dall'alto.
Il numero di lame è importante
Il numero di pale ha un impatto diretto sulle prestazioni delle turbine eoliche ad asse verticale (VAWT) di tipo lift: una configurazione a 2 pale è la più semplice ed economica, ma richiede un bilanciamento dinamico rigoroso e soffre di un'elevata ondulazione di coppia, che la rende soggetta a vibrazioni. La configurazione a 3 pale è la scelta più comune: offre un buon bilanciamento dinamico, una bassa ondulazione di coppia e un solido compromesso tra efficienza e stabilità. Quattro o più pale aumentano ulteriormente la solidità, producendo una coppia più uniforme ma con un coefficiente di potenza ridotto. La stragrande maggioranza delle turbine commerciali di tipo H di piccole e medie dimensioni adotta una configurazione a 3 pale.
Il vantaggio: elevata efficienza
Quando si parla di teoria, si tende a citare il limite di Betz del 59.3%. Questo rappresenta il limite teorico, mai raggiunto nella pratica. Le turbine a H attualmente in funzione raggiungono un coefficiente di potenza Cp compreso tra 0.25 e 0.35 in prossimità della velocità del vento nominale. I progetti ottimizzati possono superare 0.35 in condizioni ideali, e alcuni prototipi di laboratorio si sono avvicinati a 0.40 al loro TSR ottimale.
Nelle applicazioni reali, le migliori turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWT) hanno raggiunto un coefficiente di prestazione (Cp) di circa 0.50, mentre il massimo teorico per una turbina eolica ad asse verticale (VAWT) di tipo a sollevamento è di circa 0.40. Tuttavia, considerando i vantaggi delle VAWT in campi eolici complessi – minore vulnerabilità a condizioni meteorologiche estreme come i tifoni, eliminazione delle perdite dovute all'imbardata e minori costi di installazione e manutenzione – il divario in termini di capacità di generazione effettiva tra le due si riduce significativamente in determinati scenari di implementazione.
Il lato negativo: scarsa capacità di iniziativa
Le turbine a sollevamento presentano un difetto persistente: a basse velocità del vento, rimangono semplicemente immobili. Le pale devono prima raggiungere una certa velocità di rotazione prima di poter generare una portanza sufficiente a sostenere la rotazione. Per questo motivo, molte turbine a sollevamento sono dotate di un piccolo motorino di avviamento o sono costruite con un design ibrido, aggiungendo una serie di pale di trascinamento per gestire la fase di avviamento.
Le pale a trascinamento sono molto più semplici in linea di principio: proprio come un mulino a vento o un anemometro, il vento le spinge direttamente in rotazione.
Savonio (tipo S)
La configurazione classica è quella del rotore Savonius, in cui due pale semicilindriche sono sfalsate lungo l'asse centrale, formando una S se viste dall'alto. Il suo funzionamento è puramente basato sulla resistenza aerodinamica: la superficie concava cattura la spinta del vento, mentre la superficie convessa sul lato opposto subisce una minore resistenza; la coppia risultante da questa differenza genera la rotazione. Grazie alla sua struttura semplice e all'assenza di complesse superfici aerodinamiche, un rotore Savonius può funzionare in modo affidabile anche con venti di soli 1.5-2 m/s.
Elicoidale (tipo Gorlov)
Esiste anche il tipo elicoidale, in cui le pale si avvolgono attorno all'asse. Offre una rotazione eccezionalmente fluida e un aspetto visivo di grande impatto.
Il vantaggio: reattivo
La velocità del vento necessaria per l'avviamento è eccezionalmente bassa: una brezza di appena 1.5-2 m/s fa girare il rotore. La rumorosità è minima e il design non teme gli uccelli.
Lo svantaggio: bassa efficienza
I rotori convenzionali a trascinamento (come il classico Savonius) raggiungono in genere un coefficiente di prestazione (Cp) di soli 0.15-0.18. I design ottimizzati a elica o a geometria variabile possono arrivare a 0.20-0.25. Questo rende le turbine a trascinamento inadatte alla produzione di energia su larga scala, ma in applicazioni in cui l'efficienza assoluta non è la priorità, come piccoli impianti di alimentazione off-grid o sistemi integrati negli edifici, si dimostrano più pratiche di quanto i loro valori numerici lascino intendere.
Gli ingegneri hanno sempre desiderato il meglio di entrambi i mondi: l'elevata efficienza delle pale a sollevamento e la capacità di autoavviamento delle pale a trascinamento. La soluzione? Progetti ibridi.
Un approccio comune consiste nell'aggiungere una serie di pale di trascinamento all'interno o all'esterno delle pale di sollevamento a forma di H. A basse velocità del vento, le pale di trascinamento prendono il sopravvento e portano il rotore alla velocità di rotazione desiderata. Una volta raggiunta la velocità di rotazione sufficiente, le pale di sollevamento subentrano e iniziano a generare energia in modo efficiente.
Un altro approccio utilizza pale a spirale progettate per esibire caratteristiche di resistenza aerodinamica a basse velocità del vento e passare a un comportamento di portanza a velocità più elevate.
Naturalmente, le configurazioni ibride sono più complesse e più costose. Ma nei siti con condizioni di vento difficili, spesso offrono prestazioni complessive superiori.
Indipendentemente dal tipo, la potenza che un rotore eolico può catturare è regolata da un'equazione universale:
P = 0.5 × ρ × A × V³ × Cp
ρ — Densità dell'aria, circa 1.225 kg/m³ al livello del mare.
A — Area spazzata. Per una turbina eolica ad asse verticale (VAWT), l'espressione più comune è diametro del rotore × altezza del rotore.
V³ — Velocità del vento al cubo. Raddoppiando la velocità del vento si ottiene una potenza otto volte maggiore.
Cp — Coefficiente di potenza, i cui valori sono stati discussi nelle sezioni precedenti.
Il calcolo dell'area spazzata varia leggermente a seconda della configurazione. Per un rotore di tipo H: area spazzata = diametro × altezza di spazzamento. Per un rotore di tipo Φ (Darrieus): area spazzata ≈ 0.65 × altezza × diametro massimo — una correzione approssimativa basata sulla curvatura tipica del profilo della pala.
Un esempio pratico
Si consideri una turbina eolica ad asse verticale di tipo H con un diametro del rotore di 3 m e un'altezza di spazzamento di 3.5 m. L'area spazzata A = 3 × 3.5 = 10.5 m². Ad una velocità del vento nominale di 10 m/s e assumendo Cp = 0.30:
P = 0.5 × 1.225 × 10.5 × 10³ × 0.30 ≈ 1,930 W
Si tratta di una turbina che si avvicina alla classe di potenza di 2 kW in condizioni nominali. La potenza effettiva deve tenere conto anche dell'efficienza del generatore (tipicamente 85-93%), delle perdite di linea e dell'intrinseca variabilità delle condizioni del vento. Questo esempio spiega anche perché una turbina eolica ad asse verticale necessita di una superficie spazzata di almeno 20 m² per raggiungere i 5 kW.
Due direzioni nello sviluppo delle turbine eoliche ad asse verticale meritano attenzione:
Le zone in acque profonde offrono abbondanti risorse eoliche, ma la profondità dell'acqua esclude le fondazioni su pali: solo le soluzioni con piattaforme galleggianti sono praticabili. Il baricentro basso di una turbina eolica ad asse verticale (VAWT) le conferisce una stabilità di gran lunga superiore rispetto a una turbina eolica ad asse orizzontale (HAWT) su una piattaforma soggetta alle onde, e l'accesso per la manutenzione è notevolmente più semplice.
L'integrazione del fotovoltaico negli edifici con le turbine eoliche ad asse verticale (VAWT), abbinata a sistemi di accumulo energetico e a un controller per la microrete, può trasformare un singolo edificio in un'unità energetica autosufficiente.
Gli sforzi internazionali di ricerca e sviluppo degli ultimi anni offrono preziosi punti di riferimento. Nel settore dell'eolico offshore galleggiante, la svedese SeaTwirl ha installato con successo nel 2015 il suo prototipo di turbina eolica ad asse verticale (VAWT) galleggiante da 30 kW S1, convalidando il vantaggio in termini di stabilità di un design VAWT a baricentro basso su una piattaforma galleggiante. La progettazione ingegneristica di dettaglio per la sua unità S2 da 1 MW è stata completata. FlowGen (Svizzera) ha introdotto sistemi VAWT compatti in numerosi progetti di energia distribuita in tutta Europa.
I produttori cinesi non sono in ritardo nella produzione di generatori a magneti permanenti di piccola potenza o nei processi di fabbricazione delle pale. Il divario risiede principalmente in due aree: in primo luogo, la carenza di dati di test sul campo di lunga durata e in diverse condizioni per convalidare l'affidabilità del sistema; in secondo luogo, la necessità di migliorare l'integrazione a livello di sistema, in particolare l'abbinamento di pale, generatore e sistema di controllo. Piuttosto che inseguire scoperte isolate, la strada più pragmatica è quella di rendere innanzitutto i sistemi di turbine eoliche ad asse verticale da 5-50 kW realmente robusti.
Un set di pale dal design impeccabile non serve a nulla se non è ben abbinato al generatore. Questo è l'aspetto più spesso trascurato nell'ingegneria pratica.
Coppia di ingranaggio
I generatori a magneti permanenti presentano una coppia di riluttanza intrinseca tra i magneti del rotore e le cave dello statore. Questa coppia resistiva si somma direttamente alla coppia di avviamento del rotore durante la fase di avviamento. Se il generatore a magneti permanenti ha una coppia di riluttanza elevata (ad esempio, un design con poche cave e un traferro ridotto), la velocità effettiva del vento di avvio del sistema può essere aumentata da un valore teorico di 2-3 m/s fino a 4-5 m/s. Nelle regioni ricche di risorse eoliche scarse, questo è fatale: il sistema trascorre intere giornate a ruotare senza generare energia. Per i sistemi VAWT a trasmissione diretta a bassa velocità, la scelta del generatore a magneti permanenti deve privilegiare configurazioni a più cave con traferri opportunamente ampliati per minimizzare la coppia di riluttanza.
Corrispondenza tra curva velocità e potenza
Le pale operano nel loro intervallo TSR ottimale in condizioni nominali (tipicamente 2.5-3.5 per i modelli a sollevamento). Il corrispondente RPM nominale deve rientrare nella zona di generazione ad alta efficienza del PMG (tipicamente 80-120% della velocità nominale). Una discrepanza può comportare che le pale raggiungano la velocità del vento nominale mentre il PMG è ancora al di sotto del suo RPM nominale, con conseguente sottogenerazione, oppure che il PMG entri prematuramente nella sua regione di potenza costante mentre le pale non hanno ancora espresso il loro pieno potenziale. Durante la fase di progettazione del sistema, si raccomanda vivamente di confrontare la curva Cp-TSR delle pale con la curva caratteristica efficienza-velocità del PMG.
Trasmissione diretta contro cambio
Le turbine eoliche ad asse verticale (VAWT) operano a velocità relativamente basse (le unità di piccole e medie dimensioni in genere tra 100 e 250 giri/min). Un generatore a magneti permanenti (PMG) ad azionamento diretto elimina le perdite meccaniche e i rischi di guasto di un riduttore, ma richiede un numero maggiore di coppie di poli per raggiungere la potenza nominale a bassi giri/min, aumentando le dimensioni e il costo del motore. L'aggiunta di un riduttore consente l'utilizzo di un generatore ad alta velocità più compatto, ma introduce esigenze di manutenzione degli ingranaggi. Attualmente, l'azionamento diretto domina i sistemi al di sotto dei 10 kW, mentre nella gamma 10-50 kW coesistono entrambi gli approcci, con la scelta che dipende dalle priorità del cliente in termini di affidabilità e costi.
La tecnologia delle turbine eoliche ad asse verticale (VAWT) ha compiuto progressi significativi negli ultimi anni, e lo sviluppo delle pale è stato particolarmente degno di nota. I progetti ibridi hanno efficacemente unito i punti di forza delle pale a sollevamento e di quelle a trascinamento.
Nella sua essenza, la tecnologia non riguarda mai il bene o il male assoluto, ma solo l'idoneità allo scopo. Scegliendo la configurazione giusta, si ottiene una buona turbina.
