La Potenza (P) con la quale il vento esercita la sua azione è data dal prodotto della forza (F) che si oppone al suo movimento per la sua velocità (V):

P = F * V

F è meglio denominata come “Forza Aerodinamica Resistente” e varia proporzionalmente al tipo superficie esposta al vento (sezione frontale D per coefficiente di forma Cx), alla densità dell’aria (p) e, per la legge dell’energia cinetica, varia in proporzione al quadrato della velocità del vento (V):

F = 0,5 * D * p * Cx * V ²

La resistenza aerodinamica è una forza e solo moltiplicandola per la velocità si trasforma nella potenza esercitata dal vento; assemblando quindi le due formule, ne deriva che la potenza P varia con il cubo della velocità del vento.

P = 0,5 * D * p * Cx * V ³

La potenza P è espressa in Watt per metro quadrato, la sezione frontale D è espressa in metri quadrati, la densità dell’aria (p) è espressa in Kg per metro cubo e la velocità dell’aria in metri per secondo.

Il coefficiente di forma (Cx) è l’indice della penetrazione aerodinamica della superficie esposta al flusso e varia in base alla sua forma geometrica; nell’illustrazione a lato si evidenziano alcuni esempi indicativi.

La densità dell’aria (p) decresce con l’altitudine e varia da un valore di 1.225 g/m³ al livello del mare sino a 1.112 g/m³ ad un Km di quota.

La potenza del vento è soprattutto in funzione del cubo della velocità del vento, quindi piccoli aumenti nella velocità del vento producono grandi aumenti della potenza; questo significa che ogni volta che raddoppia la velocità del vento, si incrementa la potenza disponibile per un fattore di 2×2x2 = 8; se la velocità del vento triplica, l’energia associata sarà 3×3x3 = 27 volte più elevata.

La velocità del vento non cresce con continuità in senso verticale; se a contatto del suolo la velocità è praticamente nulla, negli strati immediatamente superiori, e sino a qualche decina di metri, le variazioni variano irregolarmente per poi accrescere rapidamente di velocità fino a 500-600 metri di quota e continuare poi, con ritmi inferiori, per altri 200 metri.

Nei calcoli ingegneristici si utilizza frequentemente la formula matematica empirica denominata “legge empirica di potenza”, sopra riportata, che, partendo da una velocità del vento di riferimento (V2) misurata all’altezza h2, calcola la velocità (V1) del vento in quota prevedibile alla quota h1. Il coefficiente c tiene conto della rugosità del suolo e parte da 0,40 per i centri cittadini sino a giungere al valore 0,16 per le zone pianeggianti o in mare aperto.

Oltre gli 800 metri di altezza il vento ha una velocità media di 7,6 m/s per 6.000 ore all’anno contro una media di 4,6 m/s per 3.000 ore all’anno rilevabili all’altezza di 80 metri su cui vengono di norma collocati i tradizionali generatori eolici.

La velocità del vento rappresenta un fattore cruciale nel rendimento dei generatori eolici e la velocità del vento cresce con la distanza dal suolo; tuttavia la progettazione dei tradizionali generatori eolici ad asse di rotazione orizzontale pone seri limiti di natura strutturale sia nel diametro delle pale (max 80 – 100 metri) che nell’altezza delle torri (max 130 – 180 metri); la crescita in altezza della struttura e la messa in opera di rotori di grande diametro, sono infatti causa di complicazioni statiche che mettono a rischio la struttura in caso di improvvise raffiche di vento troppo forte.