Una turbina ad elica appartiene a un gruppo di macchine che convertono l’energia del flusso di fluido o gas in movimento rotatorio. Come indica questa descrizione, queste macchine rientrano in due categorie fondamentali: turbine eoliche o ad elica idraulica. La forza di rotazione prodotta da queste macchine è più comunemente utilizzata per generare energia elettrica e, in misura minore, per fornire lavoro meccanico. Esempi comuni di varianti di lavoro meccanico della turbina ad elica sono i mulini a vento e alcuni tipi di mulini ad acqua. A causa della natura abbondante, rinnovabile ed economica della fonte di energia della turbina dell’elica, è uno dei metodi di produzione di energia più convenienti ed ecologici mai ideati.
Una turbina ad elica applica la teoria dell’elica convenzionale al contrario per sfruttare l’energia cinetica latente nei flussi di gas e fluidi. Le eliche sono costituite da un albero centrale con un minimo di due pale o palette contrapposte a forma di profilo alare attaccate ad esso. Questi sono generalmente fatti girare da una fonte di energia esterna per produrre spinta spingendo o spostando aria o liquido sulle pale. In una turbina ad elica, questo principio è capovolto; un flusso o aria o liquido sposta le lame facendole ruotare l’albero.
Le turbine eoliche sono ampiamente utilizzate in tutto il mondo per sfruttare l’energia eolica per generare elettricità, far funzionare mulini o pompare acqua. Le turbine ad elica azionate dal vento possono essere ad asse orizzontale o verticale. La variante più facilmente riconoscibile è la turbina ad asse orizzontale che comprende mulini a vento tradizionali e generatori eolici con eliche di tipo aeronautico. Altrettanto efficaci sono i design ad asse verticale di nuova generazione che presentano alette piatte o curve che guidano un albero verticale. Questi includono la pala curva Savonius, la pala piatta Giromill e i caratteristici tipi Darrieus “frullino per le uova”.
Le vecchie turbine orizzontali richiedono che la testa della turbina sia sempre rivolta al vento. Nel caso di esempi più piccoli, un semplice timone in stile banderuola fa girare la testa della turbina girevole. Le turbine più grandi utilizzano un sistema di sensori del vento e servomotori per mantenere l’elica trasformata nel vento. La maggior parte dei progetti di turbine ad elica azionate dal vento utilizzano un cambio per azionare il generatore o la manovella della pompa alla velocità corretta.
Le turbine ad elica ad acqua sono comunemente associate a grandi impianti di generazione idroelettrica, sebbene ci siano diverse applicazioni industriali e agricole più piccole. Queste turbine funzionano allo stesso modo delle loro sorelle azionate dal vento, sebbene il loro design di base differisca sostanzialmente. Queste macchine sono generalmente molto più grandi e presentano design delle pale che sono generalmente più brevi delle varianti azionate dal vento. La più comune di queste turbine ad acqua più grandi è la turbina Kaplan. Le turbine Kaplan sono unità di reazione a bassa prevalenza e alta portata utilizzate nella maggior parte dei grandi impianti idroelettrici.
La variante Kaplan è dotata di lame regolabili in inclinazione che portano a livelli di efficienza generalmente superiori al 90% in un’ampia gamma di condizioni di flusso e livello dell’acqua. Gran parte dell’efficienza è ottenuta grazie a un percorso del flusso d’acqua attentamente progettato che provoca la decelerazione del fluido in uscita. Questa decelerazione porta ad un trasferimento della massima quantità di energia cinetica al meccanismo dell’elica. Le turbine Kaplan possono produrre potenze di 100 megawatt (100,000,000 watt) o più.
La turbina dell’elica attinge a fonti di energia rinnovabili e gratuite o estremamente economiche rispetto alle opzioni di combustibili fossili. I progressi nelle tecnologie utilizzate in questi dispositivi estendono continuamente i confini della loro efficienza e capacità e potrebbero rivelarsi un valido sostituto del carburante convenzionale nel prossimo futuro. Anche la tecnologia delle turbine ad elica sta diventando sempre più accessibile, il che rafforza ulteriormente il suo ruolo nell’ambito di uno scenario di approvvigionamento energetico più pulito ed ecologico.