Elettricità a bordo generata dal vento: Quando conviene installare un generatore eolico

Ogni velista sa bene che l’energia eolica può essere sfruttata in modo efficace. Anche a terra, ormai, essa è considerata una delle principali fonti di energia rinnovabile: in Germania, oggi circa un terzo dell’energia elettrica proviene dall’eolico – più che dal fotovoltaico, dal carbone o dal gas. È sostenibile e funziona anche di notte e con il cielo coperto, purché soffi vento a sufficienza. Sulle barche a vela, le fonti di energia rinnovabile garantiscono l’autosufficienza: si rimane più a lungo indipendenti dalle prese di corrente a terra e dai carburanti, che possono essere tenuti a bordo solo in quantità limitata. A tal fine, si possono prendere in considerazione soprattutto tre soluzioni: Moduli solari, generatori a trascinamento o turbine eoliche. I confronti diretti in termini di potenza sono tuttavia poco significativi, poiché le fonti energetiche soddisfano esigenze diverse e vengono quindi spesso combinate.

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I pannelli solari sono particolarmente vantaggiosi nella stagione estiva, per sfruttare lunghi periodi di sosta all’ancora. Infatti, la resa dipende fortemente dall’intensità della radiazione solare, che varia a seconda della stagione e della latitudine. I generatori a traino, invece, sono destinati principalmente ai velisti che percorrono lunghe distanze, poiché la produzione di energia elettrica funziona solo durante la navigazione. Inoltre, sono convenienti solo quando si naviga a vela, poiché durante la navigazione a motore è l’alternatore a svolgere questa funzione.

I generatori eolici funzionano sia in navigazione che all’ancora – e questo anche di notte o con cielo coperto. Sono quindi in grado di integrare perfettamente i pannelli solari, tanto più che questi ultimi, per garantire un’elevata potenza, necessitano di una superficie piuttosto ampia e il più possibile priva di ombre, cosa rara sugli yacht a vela. Un generatore eolico, al contrario, occupa poco spazio e può quindi colmare le lacune di fabbisogno.

Numerose analogie con la vela

I generatori eolici necessitano semplicemente di aria in movimento. Come nella navigazione a vela, la potenza è proporzionale alla velocità del vento – e precisamente alla terza potenza. Ciò significa che, se la velocità del vento raddoppia, la potenza aumenta teoricamente di otto volte. Questo sembra promettente, ma vale anche nella direzione opposta: se la velocità del vento si dimezza, ci si può aspettare solo un ottavo della potenza.

In mare, come nella navigazione a vela, è determinante la velocità apparente del vento. Su una rotta di bolina il generatore eolico ne beneficia, mentre su una rotta di poppa l’energia eolica utilizzabile si riduce. A ciò si aggiunge l’altezza di funzionamento, poiché il vento viene frenato in prossimità del suolo. L’intensità del vento indicata da un anemometro montato in cima all’albero non corrisponde quindi necessariamente alla forza che agisce sul generatore eolico installato più in basso. Tuttavia, l’installazione di quest’ultimo in cima all’albero è da escludere per diversi motivi: ingombro, peso in sommità, difficoltà di accesso, sollecitazioni dovute allo sbandamento e all’imbardata.

Un’ulteriore analogia con la vela emerge dal rapporto tra superficie e potenza: un diametro del rotore maggiore comporta una maggiore resa. Tuttavia, anche il numero e la forma delle pale hanno la loro importanza. Alcuni modelli forniscono quindi potenze superiori rispetto a generatori più grandi, nonostante abbiano un diametro leggermente inferiore. Sugli yacht da crociera comuni, tuttavia, il diametro è soggetto a limiti piuttosto ristretti. Infatti, il rotore deve funzionare a un’altezza di sicurezza sopra le teste dell’equipaggio. Gli alberi di montaggio tipici degli yacht hanno generalmente un’altezza di circa tre metri. A ciò si aggiunge il peso considerevole dei generatori più grandi.

Prestazioni e rendimento

Per gli yacht da crociera di lunghezza compresa tra circa 35 e 50 piedi, oggi l’offerta è dominata da generatori eolici con una potenza compresa tra 350 e 450 watt. A seconda del modello, il loro peso varia solitamente tra i 6 e i 15 chilogrammi. Il diametro del rotore varia tra 1,10 e 1,50 metri. Gli impianti più piccoli si trovano ormai raramente sul mercato, probabilmente a causa dell’aumento della capacità delle batterie.

I valori da 350 a 450 Watt si riferiscono alla potenza nominale, che richiede velocità del vento corrispondentemente elevate. Un esempio: il generatore eolico Superwind SW 350-II raggiunge la sua potenza nominale di 350 Watt solo a partire da circa 24 nodi di vento. Il Silentwind 400+ richiede una velocità del vento di circa 28 nodi per raggiungere la potenza nominale di 420 watt. In entrambi i casi sono quindi necessarie condizioni di vento forte. Questa velocità nominale del vento è indicata nelle specifiche tecniche del prodotto.

Con una brezza moderata di 12 nodi, entrambi forniscono solo circa 40-50 watt. Questi valori si possono ricavare dalla rispettiva curva di potenza, disponibile per molti generatori eolici sui siti web dei produttori. Essa offre una buona base per una stima attendibile della resa. Alcuni fornitori mettono inoltre a disposizione grafici che illustrano la resa mensile o annuale prevista in funzione della velocità media del vento nella zona di installazione. La produzione effettiva dipende però, oltre che dalle condizioni del vento, anche da altre caratteristiche specifiche dell’impianto, quali, tra l’altro, il comportamento all’avvio con vento leggero, l’andamento della curva di potenza e la strategia di regolazione in caso di vento forte e tempesta.

Velocità di avvio e riduzione della potenza

Proprio come ogni yacht a vela inizia a muoversi solo quando la pressione del vento raggiunge un certo livello, anche un generatore eolico entra in funzione solo a partire da una determinata velocità del vento. Nella maggior parte dei modelli di questa classe di potenza, la velocità di avvio è compresa tra circa 2,00 e 3,50 metri al secondo. A seconda del modello, la produzione di energia elettrica inizia con un vento compreso tra circa 4 e 7 nodi: questa è la velocità di avvio, detta anche «cut-in speed». Il vento non deve però essere eccessivo, altrimenti si rischia il cosiddetto «overspeed». Con questo termine si intende il superamento della velocità di rotazione di sicurezza, che può portare a un sovraccarico dell’impianto e diventare pericoloso. Infatti, un generatore eolico presenta una moltitudine di componenti mobili che, a velocità elevate, sono sottoposti a enormi forze centrifughe.

Per evitare un «overspeed», a partire da una certa velocità del vento è necessario ridurre il numero di giri o arrestare il generatore eolico. A tal fine esistono diversi metodi. Il più semplice consiste nel ruotare manualmente il rotore fuori dal vento e bloccarlo con una fune. Tuttavia, questa procedura non è consigliabile, visti i pericoli per l’impianto e per l’operatore. È preferibile una riduzione elettronica della velocità di rotazione. In questo caso, a partire da una determinata velocità, il regolatore mette in cortocircuito il generatore, frenando elettricamente il rotore. Vantaggio: lo spegnimento avviene automaticamente senza l’intervento del personale. Nella maggior parte dei casi il rotore continua a girare, ma in modo nettamente più lento: il flusso d’aria modificato favorisce l’effetto frenante. Svantaggio: la resa energetica cala rapidamente a partire da una certa velocità del vento. Inoltre, il sistema dipende dal corretto funzionamento dell’elettronica.

La regolazione delle pale del rotore, al contrario, funziona in modo puramente meccanico: alcuni generatori di alta qualità modificano automaticamente l’angolo di incidenza delle pale rispetto al vento in presenza di velocità elevate. In questo modo la velocità di rotazione rimane entro limiti accettabili, mentre il generatore può continuare a produrre energia elettrica. In questo caso, quindi, la curva di potenza non cala in caso di tempesta, ma rimane costante.

Carico regolamentare

In quanto ulteriore elemento fondamentale di ogni impianto, il regolatore di carica svolge quindi spesso diverse funzioni contemporaneamente: protegge le batterie dal sovraccarico, compensa le fluttuazioni di potenza, talvolta elevate, in presenza di vento a raffiche e contribuisce a impedire che il rotore entri in rotazione libera in caso di velocità del vento molto elevate.

Inoltre, il regolatore di carica dovrebbe essere in grado di deviare l’energia in eccesso verso una resistenza di carico, nel caso in cui il generatore eolico fornisca più corrente di quanta ne possano assorbire le batterie. Ciò costituisce anche un requisito fondamentale per una regolazione elettronica sicura della velocità. Attenzione: tali resistenze di carico possono diventare piuttosto calde e dovrebbero essere collocate in un’area ben ventilata, lontano da materiali infiammabili!

Il regolatore di carica, il generatore e il tipo di batteria devono essere compatibili tra loro. Anche le sezioni dei cavi devono essere in grado di sopportare in modo sicuro le correnti previste. I generatori eolici per yacht sono disponibili per tensioni di esercizio di 12, 24 e 48 volt. In un sistema a 12 volt, la corrente nominale di un generatore eolico da 400 watt può comunque superare i 30 ampere.

Qualità auspicabili

In sintesi, un generatore eolico ottimale dovrebbe quindi coprire un campo operativo il più ampio possibile, presentare una curva di potenza adeguata alle condizioni della zona di utilizzo, avviarsi in modo affidabile anche con vento debole e fornire energia sufficiente anche a velocità del vento molto elevate (ad esempio tramite la regolazione delle pale del rotore). È inoltre importante disporre di una protezione affidabile contro il sovravelocità, che funzioni senza intervento manuale. A ciò si aggiunge una struttura robusta e progettata per il duro impiego in ambiente marino.

I prezzi nella suddetta classe di potenza oscillano tra i 1.500 e i 3.000 euro. I modelli di alta qualità convincono per la loro durata, la silenziosità di funzionamento e una resa stabile. In combinazione con un impianto solare, consentono di colmare le lacune di fabbisogno soprattutto in primavera e verso l’autunno, quando il sole è più debole ma il vento soffia spesso con forza. Lo stesso vale per le giornate nuvolose durante l’alta stagione.

E questo già con una brezza moderata: 45 watt di potenza continua per 24 ore equivalgono comunque a 1.080 wattora, ovvero 90 ampere-ora in un sistema a 12 volt.

Potenziali pericoli

I generatori eolici comunemente utilizzati sulle imbarcazioni da diporto possono raggiungere, durante il normale funzionamento, velocità di rotazione fino a 1.700 giri al minuto. Con un diametro del rotore di 1,10 metri, le punte delle pale sfrecciano nell’aria a oltre 350 chilometri all’ora (velocità periferica). Allo stesso tempo, ad alta velocità le pale diventano quasi invisibili. Le collisioni, ad esempio con le cime in movimento come una cima di terzarolo che sbatte o stralli allentati, oppure con una cima di ormeggio lanciata, causano solitamente la distruzione delle pale del rotore. Ciò comporta il rischio che l’equipaggio o i passanti vengano feriti da parti proiettate. Se l’imbarcazione viene ormeggiata a moli alti, l’equipaggio potrebbe addirittura trovarsi direttamente nella zona d’influenza del rotore.

Alla luce di ciò, si raccomanda di dotare il generatore eolico di un interruttore di arresto. Questo interrompe brevemente il generatore e ne consente l’arresto in situazioni potenzialmente pericolose – ad esempio prima delle manovre di navigazione a vela o durante l’ormeggio in porto. Gli interruttori di arresto devono resistere a correnti elevate ed essere compatibili con il dispositivo in questione. Molti produttori di generatori li offrono come accessori.

Tutti i componenti del generatore eolico dovrebbero inoltre essere realizzati con materiali resistenti all’acqua di mare. In caso contrario, la corrosione potrebbe causare il distacco o il malfunzionamento delle parti. Al momento dell’acquisto è consigliabile prestare attenzione ai prodotti progettati espressamente per l’uso marittimo.

Prevenzione del rumore e consigli per il montaggio

Di tanto in tanto, nelle testimonianze si legge che un generatore eolico impedisce all’equipaggio di dormire. Nessuno funziona in modo del tutto silenzioso, ma molti modelli moderni sono diventati notevolmente più silenziosi, soprattutto grazie alle pale ottimizzate dal punto di vista aerodinamico e a una tecnologia dei cuscinetti migliorata. In questo modo, il rumore di funzionamento si confonde sempre più con il rumore di fondo del vento.

Mentre i rumori del vento e delle pale vengono trasmessi attraverso l’aria, sottocoperta si avverte soprattutto il rumore strutturale. Questo viene trasmesso all’imbarcazione tramite il supporto dell’apparecchio e può essere eliminato grazie a un accurato disaccoppiamento acustico. I negozi specializzati offrono kit di montaggio specifici con cuscinetti in gomma o plastica che smorzano efficacemente la trasmissione del rumore strutturale. In alcuni generatori, tale disaccoppiamento è già integrato di serie nel supporto.

In generale, il generatore dovrebbe essere utilizzato a un’altezza tale che, in circostanze normali, l’equipaggio non possa accedere all’area del rotore in rotazione. Si è dimostrato efficace il montaggio su robusti supporti per apparecchiature o su appositi montanti a poppa. In tale posizione è inoltre garantito un flusso d’aria in gran parte libero. I supporti e le sospensioni devono essere progettati in modo tale da resistere a lungo termine alle continue variazioni di carico causate dal moto del mare, dallo sbandamento e dall’imbardata. Il montaggio su un’asta di supporto richiede di norma un sistema di tiranti, tanto più che i cestelli di poppa non sono solitamente progettati per sopportare tali sollecitazioni. I collegamenti a vite, gli ammortizzatori, i cuscinetti e le pale del rotore dovrebbero essere controllati a intervalli regolari. Squilibri o rumori insoliti sono spesso segnali precoci della necessità di manutenzione.

Suggerimenti di lettura

Teoria e pratica dell’impianto elettrico di bordo spiega i fondamenti di un approvvigionamento elettrico sicuro a bordo – dalle batterie e dalla tecnologia di ricarica, alla distribuzione della corrente continua, fino alla gestione dell’energia. Per l’installazione di un generatore eolico, il libro fornisce soprattutto le conoscenze necessarie per coordinare in modo ottimale, come sistema integrato, generatori, regolatori, utenze e capacità di accumulo.

Watt, volt e altre seccature si concentra sulla comprensione tecnica alla base dell’impianto elettrico di bordo: corrente, tensione, potenza, scelta dei componenti e ricerca sistematica dei guasti. Il volume completa la visione d’insieme sul generatore eolico affrontando la questione di come l’energia prodotta possa essere utilizzata nell’impianto di bordo esistente e di come sia possibile individuare in modo metodico i guasti tipici che si verificano durante l’installazione, il cablaggio o il funzionamento.

I generatori eolici rappresentano un’integrazione valida all’impianto solare o, secondo voi, i rumori, l’ingombro e i rischi per la sicurezza hanno la meglio? Condividete le vostre esperienze e la vostra opinione nei commenti.