Energia eolica – Le piccole tecnologie diffuse, per un nuovo pianeta: il caso dell’elica chirale che produce energia a bassa intensità di vento

un modello di aereogeneratore a due pale
un modello di aereogeneratore a due pale

“Anticipiamo la terza rivoluzione industriale”: è lo slogan che Jeremy Rifkin ha coniato nella sua interpretazione dello sviluppo. Se, secondo lui,  trasformazione energetica e sistemi informativi vanno di pari passo, dopo il legame nell’antichità tra civiltà agricole irrigue della Mesopotamia, dell’Egitto e dell’India con l’invenzione della scrittura; con la prima rivoluzione industriale (tra la seconda metà del settecento e la prima metà dell’ottocento) c’è stato il connubio tra l’invenzione della tecnologia del vapore derivante dal carbone con la stampa; e con la seconda rivoluzione industriale (seconda metà dell’ottocento fino a tre quarti del novecento) dove c’è stata la connessione tra telegrafo, telefono, radio, televisione, calcolatrice etc. con  l’utilizzo del petrolio e lo sviluppo del motore a scoppio; la terza rivoluzione, che è già presente nel campo della comunicazione dagli anni ’90 del secolo scorso con la diffusione del computer e ora più che mai di internet… nell’era informativa globale di Internet manca una fonte energetica nuova, alternativa all’ancora predominante petrolio che ha caratterizzato la fase precedente. Rifkin vede questa nuova necessaria fonte energetica connessa al nuovo sistema di informazione nelle energie rinnovabili.         E in questo contesto, questa nuova rivoluzione informativa (del pc, di internet, del world wide web, e di tutte le tecnologie di comunicazione senza fili…) dovrebbe portare alla produzione di “forme energetiche diffuse” attraverso tecnologie sì complesse ma non complicate (la differenza dei termini è abissale…). “Tecnologie appropriate” le possiamo chiamare; in grado di essere capite da chi le usa (incomprensibile ai più è invece il nucleare…), a basso costo, e che possano essere diffuse nei territori: sistemi energetici, usando parole alla moda, a “chilometro zero”: che non bisogna trasportare a lunga distanza con grandi elettrodotti pericolosi e impattanti (e che perdono per strada quasi la metà del loro carico energetico…); che non inquinano; e, soprattutto, che non distruggano risorse accumulate nei millenni, ma utilizzino materie rinnovabili e/o non usurabili: le biomasse, il sottosuolo geotermico, il sole, il vento…             E a proposito di vento vi presentiamo qui un progetto di elica “chirale a bulbo” (un oggetto chirale è un oggetto che differisce sostanzialmente dalla propria immagine riflessa). Progettata dall’Università di Perugia che si caratterizza per un funzionamento efficiente anche con velocità del vento decisamente bassa (da 3 a 6 metri al secondo) (altre esperienze simili, altre invenzioni ci sono di questo genere).         Una delle critiche e opposizioni che ci sono al sostenitori dell’eolico, è che in Italia ci sono pochi posti dove la velocità del vento è alta. Questa tecnologia che presentiamo, questi aereogeneratori, sopperiscono a questo deficit di velocità del vento, producendo una quantità di energia ben superiore a quella che tradizionali eliche procurano: nell’articolo che segue si tracciano degli esempi, e poi riportiamo, per i più esperti, una relazione dell’Istituto di Energetica dell’Università di Perugia, nella quale uno degli estensori (Paolo Scarpa) è anche l’inventore di questo tipo di aereogeneratore a elica chirale.          E’ la dimostrazione di un settore (quello delle energie rinnovabili) dove conta l’intelligenza, e dove si tende sempre più a proporre tecnologie raffinatissime ma non costose, da diffondere ovunque (e non centralizzate).   

UN’ELICA RIVOLUZIONARIA

(di Mariella Di Donna, dalla rivista “Le Scienze”)     Un nuovo tipo di aereogeneratore che funziona anche con velocità del vento decisamente bassa (da 3 a 6 metri al secondo) disponibili in Italia per almeno 7 mila ore l’anno, con il risultato di produrre una quantità di energia elettrica 20 volte superiore ad un generatore tradizionale dello stesso diametro, il tutto ad un costo da 10 a 26 volte inferiore a tutti gli altri sistemi di produzione.     Questa apparente “utopia tecnologica” è invece una realtà dimostrata teoricamente e sperimentalmente e certificata dall’istituto di energetica dell’Università di Perugia che in merito ha presentato una relazione sull’energia eolica.    “Il sistema – sottolinea il suo ideatore, Paolo Scarpa – è basato su un’elica denominata ‘chirale a bulbo’, di forma del tutto originale, mai sperimentata al mondo. Anziché il classico profilo alare, le pale dell’elica hanno una forma cilindrica, con un diametro che cresce verso l’estremità, con un profilo che ricorda quello di una bottiglia panciuta. Oltre alla sua forma, l’originalità della pala consiste nel fatto che questa viene fatta ruotare su sé stessa con una velocità variabile in funzione di quella del vento. Il principio fisico (l’effetto Magnus) è quello sfruttato dalle rotonavi di Fletner e di Cousteau”.

“L’effetto sfruttato è il doppio effetto Magnus derivante dalla rotazione sia delle pale su sé stesse che di tutta l’elica. L’elica del generatore eolico può essere costituita da una o più di queste pale – prosegue Paolo Scarpa – realizzate con un nuovo polietilene denominato Dyneema, una fibra 10 volte più forte dell’acciaio. Prendendo a riferimento un aereogeneratore tradizionale con un’elica tripala a profilo alare del diametro di 18 metri ed un aereogeneratore con elica ‘chirale’ dello stesso diametro, si ha una differenza di potenza prodotta che va dagli 80 KiloWatt della prima ai 1.500 della seconda. Ma quello che più differenzia i due sistemi è il fatto che l’elica chirale produce potenza anche con venti dell’ordine di 3-6 metri al secondo, quando l’elica tradizionale è praticamente ferma; si tratta di basse velocità che in migliaia di località italiane sono sfruttabili quasi per il 70 per cento del tempo nell’arco dell’anno. Ciò fa sì che l’impianto tradizionale possa produrre in un anno 35.000 MegaWatt, quello chirale un milione di MegaWatt. (Mariella Di Donna, da Le Scienze)

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Da: http://www.energeticambiente.it/eolico/951482-turbina-eolica-pale-chirali.html

I test sperimentali mostrano che i rotori a pale chirali sono in grado di produrre energia anche a bassa velocità del vento, a partire da 4 m/s, mentre le classiche eliche a vento producono mediamente energia a velocità del vento di 8-10 m/s. Inoltre il tasso rilevato di produzione di energia di una turbina chirale e pari a 10-20 volte quello di una classica turbina a vento alla stessa velocità del vento. Infatti dai test sperimentali e dalle equazioni è possibile calcolare una produzione di potenza di una turbina chirale bipala, con un’area battuta dal vento di diametro di 14 metri, pari a 200-300 kW a una velocità del vento di 10 m/s, mentre una classica turbina a vento bipala dello stesso diametro, e alla stessa velocità del vento, può produrre circa 2040 kW. Considerando che la classica turbina a vento è produttiva con una velocità del vento superiore a 8-10 m/s, e che la velocità normale dei venti per buona parte dell’anno è inferiore a 8-10 m/s, adottare una turbina a vento chirale significa un incremento della produzione di energia del 2000% all’anno. Inoltre i rotori chirali riducono l’impatto ambientale grazie alla loro maggiore produzione di energia per unità di area battuta dal vento rispetto ai rotori classici. Tutte queste caratteristiche rendono, per l’immediato futuro, quella dei rotori a pale chirali una soluzione interessante per la produzione di energia dalla risorsa rinnovabile dell’energia eolica.”

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…ancora un altro esempio di tecnologie di aereogeneratori a basso costo e intensamente produttivi:

SCIENZA & TECNOLOGIA

Microturbine per produrre corrente in vendita nei supermarket del “fai da te”
Costano circa 2mila euro e bastano per il 30% del fabbisogno domestico

Energia eolica? Anche dal ferramenta – In Inghilterra la rivoluzione del vento    –     Il governo starebbe addirittura pensando di renderle obbligatorie
di VALERIO GUALERZI    –
Una microturbina per l’energia eolica in vendita da B&Q

“PINZE, martello, una manciata di chiodi e una turbina eolica”. A fare un’ordinazione del genere in un negozio di ferramenta italiano si verrebbe presi per pazzi, ma in Gran Bretagna non è così. Il crescente interesse per la microgenerazione di elettricità ha finalmente fatto fare alle fonti rinnovabili l’atteso balzo dal mercato di nicchia a quello della grande distribuzione.
Da qualche giorno” B&Q”, una delle catene per il “fai da te” più grandi del Regno Unito (simile all’italiana Bricofer) ha messo infatti in vendita micropale eoliche e pannelli per il solare termico come fossero un qualsiasi articolo di ferramenta. E anche il prezzo, seppure non esattamente alla portata di tutti, non è certo proibitivo. Sborsando poco meno di 1.500 sterline (circa 2.200 euro) negli oltre 300 negozi a marchio “B&Q” sparsi per il paese è possibile acquistare una microturbina in grado, promettono i venditori, di tagliare la bolletta media di una famiglia del 30 per cento.
Nel prezzo è inclusa inoltre la consulenza burocratica e tecnica per l’installazione (oviamente si deve abitare in un posto sufficientemente esposto al vento), il montaggio e anche l’assistenza legale per cercare di ottenere gli incentivi statali previsti per le rinnovabili (circa un 30% della spesa iniziale).

Le turbine, realizzate dalla ditta Windsave, sono capaci di produrre fino a un KW di energia che l’impianto elettrico di casa inizia a “succhiare” fino ad esaurimento prima di attaccarsi alla rete principale in caso di bisogno. Garantite dieci anni, alte due metri e larghe 1,75, le pale sono poco invasive, anche se naturalmente il tipo di edilizia britannica, con le caratteristiche case uni e bifamiliari, ne aiuta notevolmente la diffusione e potrebbero presto diventare parte del normale panorama, come lo sono diventate ormai le parabole satellitari.
Oggi in Gran Bretagna, secondo stime giornalistiche, le famiglie dotate di un impianto di microgenerazione elettrica da fonti rinnovabili (eolico, solare, geotermico o microidroelettrico) sono 80 mila, ma è già stata fata molta strada da quando nel novembre scorso la stampa inglese raccontava la storia di Donnachadh McCarthy’s, il primo londinese ad aver installato sul tetto della sua casa una turbina a vento. “In questo anno – racconta oggi il pioniere – con le mie pale ho prodotto il 20 per cento in più di energia rispetto a quella che ho acquistato dalla rete”.
Anche il leader dei Tory David Cameron, che ha fatto dell’impegno ambientalista il cavallo di battaglia per rinnovare l’appannata immagine dei conservatori, ha annunciato l’intenzione di piazzare un’elica e pannelli fotovoltaici per generare corrente sul tetto della sua villa londinese. Secondo alcuni giornali come il Daily Mail il governo di Tony Blair starebbe persino pensando di rendere le microturbine eoliche obbligatorie sui tetti di tutte le case.
“Il punto di svolta nella diffusione delle energie rinnovabili è stato finalmente toccato”, ha annunciato pochi giorni fa Cristopher Flavin, il presidente della prestigiosa istituzione ambientalista americana World Watch Institute. “Rimane ancora moltissimo da fare – ha spiegato Flavin – ma credo che un giorno, guardando indietro agli anni 2005, 2006 e 2007 diremo: ‘Ecco, quello è stato il momento'”.
(11 ottobre 2006)

…………..

la relazione scientifica sull’elica chirale (solo per i più esperti…):

PRESTAZIONI DEL ROTORE A VENTO CON PALE CHIRALI

F. Di Maria(1), F. Mariani (1), P Scarpa (2)

(1) Istituto di Energetica Università di Perugia

Via G. Duranti l/A4, 06125 Perugia, Italy

(2) FLUID SERVICE – SILE S.r.l.

Via A. Gramsci 36, 00197 Roma, Italy

ABSTRACT.: Lo sfruttamento dell’energia eolica risale a tempi remoti. Il tipico mulino a vento è stato inizialmente utilizzato dagli olandesi nel 1360 per prosciugare le paludi e per i più tradizionali lavori agricoli. Negli ultimi 30 anni il consistente progresso tecnologico ha portato alla costruzione di aerogeneratori che variano da una potenza media di 100 HP a quella dell’aerogeneratore americano Grandpa’s Knob di 1500 HP. L’energia eolica presenta delle caratteristiche molto interessanti: è ampiamente disponibile, non provoca inquinamento ed è, rispetto ad altre fonti (p.e. geotermiche e radiazioni solari), più conveniente perché più facilmente disponibile in forma meccanica, quindi più immediatamente convertibile in energia elettrica.

Il presente lavoro mostra i risultati sperimentali ottenuti su un rotore a vento con pale chirali progettato per sfruttare l’effetto Magnus. I risultati raggiunti, generalizzati su rotori a dimensioni reali, sono confrontati con i risultati ottenuti su delle pale a vento tradizionali per verificarne la convenienza economica e tecnologica e possibilmente utilizzarlo nella costruzione di un impianto eolico pilota con, appunto, dei rotori chirali a pale. Questa macchina, a differenza di quelli tradizionali, ha dimostrato come sia possibile ottenere un’apprezzabile quantità di energia anche in condizioni di vento debole (3-4 m/s) con l’ampio sfruttamento di un generatore elettrico.

INTRODUZIONE

Le risorse rinnovabili di energia (solare, geotermica,  moto ondoso, eolica) costituiscono un interessante soluzione al problema di soddisfare a costi bassi per kWh prodotto e con un ridotto impatto ambientale, la crescente domanda di energia elettrica da parte di diversi paesi. In particolare, l’energia eolica presenta alcuni vantaggi grazie all’assenza di emissioni inquinanti e alla relativa semplicità dei sistemi meccanici per convertirla ‘in energia elettrica. Purtroppo, la velocità e la direzione del vento sono estremamente variabili nel corso dell’anno e questo pone dei  limiti alla possibilità di una produzione costante di energia. Inoltre le tradizionali centrali di energia eolica necessitano di ampi spazi; infatti la frazione di energia eolica che in teoria viene assorbita da un rotore a vento tradizionale è rappresentata dal limite teorico di Betz del 59,3%, per l’impossibilità di sfruttare l’intera energia cinetica del vento, mentre la reale frazione di energia convertita varia fta il 20% e il 38%. Questo significa che solo una piccola frazione di energia eolica viene convertita in lavoro meccanico. E possibile migliorare le prestazioni delle turbine a vento utilizzando delle pale di un cilindro che ruoti sul proprio asse: questo è il rotore a vento con pale chirali.   Infatti, una corrente che investe il cilindro produce una forza ortogonale all’asse del cilindro stesso.

Questo fenomeno è il famoso effetto Magnus. Questo nuovo tipo di turbina non sfrutta l’energia cinetica del vento ma, deviando le linee di flusso, determina una zona di pressione ed una zona di depressione sulla superficie opposta della pala mentre la velocità del vento a valle al rotore rimane abbastanza costante. Dal momento che si può facilmente modificare la rivoluzione del bulbo, le turbine a pale chirali possono operare con valori di velocità del vento basse, permettendo una produzione di energia più costante e generando una maggiore energia rispetto ai tradizionali rotori a vento con lo stesso diametro. Inoltre, quando cambia l’intensità del vento, il nuovo rotore chirale proposto raggiunge il regime stazionario molto più velocemente di quelli tradizionali. Queste caratteristiche permettono di ridurre la superficie richiesta per unità di potenza.

Il presente articolo mostra i risultati sperimentali ottenuti su dei rotori chirali mono e bipala rispetto ad alcuni rotori a vento tradizionali.

BASI TEORICHE

Effetto Magnus

L’effetto Magnus fu dimostrato in via sperimentale da Magnus nel 1852. L’effetto mostra che la rotazione di un cilindro orizzontale intorno al proprio asse e immerso in una corrente fluida uniforme produce una portanza. Analogamente, un cilindro stazionario che ruoti intorno al proprio asse in un vento di traverso viene sollecitato da una portanza  Lo stesso effetto, sfruttato nelle navi con rotore rotante da Flettner e Cousteau, si verifica con un cilindro verticale che ruota intorno al proprio asse in una corrente di traverso.

Sviluppando l’effetto Magnus per un fluido ideale non viscoso è possibile esprimere la portanza (FL ) per mezzo della famosa equazione come segue:

FL = CL Ar V2¥ / 2 [N]                 (1)

FL = r V¥ G H = r V¥ 2p R Vr H = 4p2 r R2 H N V ¥ [N]                  (2)

dove ¥ (m/s) è la corrente fluida a velocità uniforme lontano dal cilindro e p (kg/m3) è la densità dell’aria. A (m2 ) è l’area del cilindro espressa da : A = 2RH, dove r(m) è il raggio del cilindro e H (m) l’altezza del cilindro; CL è il coefficiente di portanza, N è il numero di rivoluzioni per unità di tempo (s-1). r = 2pRN è la velocità periferica del cilindro e G = 2p RV¥ (m2/s) è la costante di circolazione. Confrontando le precedenti equazioni (1) e (2), valide per flussi non viscosi, risulta che CL è direttamente proporzionale al rapporto fra la velocità periferica del cilindro e le velocità libere delle correnti secondo la seguente:

CL = 2p Vr / V¥ (3)

La dipendenza della portanza dal quadrato del raggio del cilindro (R), dimostrata nell’equazione (2), è rilevante per le prestazioni del sistema fisico proposto.

SISTEMA SPERIMENTALE

Il  sistema sperimentale consiste in una piccola galleria a vento con un diametro di 1400 mm., una lunghezza di 5 metri e un ventilatore di 7,5 kW che produce una corrente con velocità che varia da 3 a 14 m/s. Il rotore tradizionale e quello chirale sono testati in questa galleria a vento valutando l’energia prodotta con un freno sull’asse della turbina. Il momento della forza del freno viene fissato con degli anelli di ferro di peso prestabilito. L’assorbimento di potenza del meccanismo frenante è stato valutato con un motore elettrico di 4 kW di potenza, alle due velocità di rotazione di 350 e 700 rivoluzioni per minuto (rpm). Per ciascuna velocità di rotazione, è stata rilevata la potenza di assorbimento del motore con un contrappeso al freno variabile fra 1 kg. e 25 kg. Questo test mostra che il fattore frizione è abbastanza costante e che vi è una relazione lineare fra la potenza e il contrappeso del freno. In effetti, la resistenza non è solo dovuta al freno ma anche alle altre forze di frizione interna. Il rapporto è abbastanza lineare e al coefficiente della proporzione è stato attribuito un valore approssimativo di 0,057 per il solo freno e di 0,08 per la perdita totale. In altre parole la potenza per unità di contrappeso del freno è data da:

f=0,057.N.60  [P/kg]…. mentre la potenza totale per unità di contrappeso del freno è data dalla seguente equazione:   t = 0,08 . N. 60  [P/Kg]

In questo modo, misurando la velocità di rotazione della turbina a vento, è possibile valutare la potenza della turbina e, misurando la potenza di assorbimento del ventilatore, è possibile calcolare il fattore di potenza. La velocità del vento è misurata con un anemometro. Sono stati costruiti due modelli di rotore chirale mono e bipala con un’area battuta dal vento di diametro pari a 1200 mm. e un diametro del bulbo pari a 180 mm. (Figura 2a, b); i quali riproducono su scala ridotta un modello di macchina con un’area battuta dal vento di diametro di 30 metri. La velocità di rivoluzione del bulbo chirale viene raggiunta con un motore a corrente continua (c.c.). L’immissione di elettricità in questi motori è assicurata da un anello dinamico, simile a quello di Pacinotti, sull’albero di trasmissione della turbina. Il confronto sperimentale fra la turbina chirale e quella classica è stato effettuato costruendo alcuni modelli di turbina tradizionale con un’area battuta dal vento di 1200 mm. di diametro e che sono l’esatta riproduzione geometrica di alcune macchine tradizionali. Il maggiore difetto è rappresentato dalla riduzione su grande scala e anche del peso delle turbine. Infatti, a causa di problemi strutturali, non è possibile costruire un piccolo rotore chirale che riproduca uno reale riducendone anche il peso su scala. Per questa ragione si è aumentato il peso di alcune delle turbine classiche ridotte su scala, costruendole in acciaio e ghisa e per permettere un confronto significativo con quella chirale. Sono stati testati e messi a confronto circa dieci diversi modelli di turbina a vento. Nella presente relazione sono riportati solo i risultati relativi ai seguenti modelli:

Al) Un rotore chirale monopala, con un’area battuta dal vento di diametro di 1200 mm., un diametro del bulbo di 180 mm. e con un peso globale del 2 rotore di 9 kg. La superficie anteriore della pala è di circa 460 cm e rappresenta un modello su scala di un’unità con diametro di 30 metri;

A2) Una tradizionale turbina a vento monopala, con un’area battuta dal vento di diametro di 1200 mm., peso globale del rotore di 2,9 kg. e superficie anteriore della pala di circa 240 cm2. L’angolo di sfalsamento della pala è di 100. Questo modello, aumentato di peso, riproduce un’unità commerciale con area battuta dal vento di 7 metri di diametro.

A3) Una tradizionale turbina a vento monopala, con un’area battuta dal vento di diametro di 1200 mm., peso globale del rotore di 2,7 kg. e superficie anteriore della pala di circa 230 cm2. L’angolo di sfalsamento della pala è di 130. Questo modello, aumentato di peso, riproduce un’unità commerciale con area battuta dal vento di 33 metri di diametro.

Bl) Un rotore chirale bipala con un diametro di 1200 mm., diametro del bulbo di 80 mm. e peso globale di 14 kg. La superficie anteriore della pala è di circa 760 cm2 e, su scala, questo modello rappresenta un impianto reale di diametro di 30 metri.

B3) Una tradizionale turbina a vento bipala, con area battuta dal vento di diametro di 1200 mm, peso globale del rotore di 1,4 kg. e superficie anteriore della pala di 750 cm2. L’angolo di sfalsamento della pala è di 100. A questo rotore non è stato aumentato il peso per cui risulta 10 volte più leggero di quello chirale. Il modello B3 è stato costruito per create una tradizionale turbina a vento ad alto rendimento da confrontare con quella chirale. Per questa ragione questo modello non rappresenta un’unità commerciale su scala ridotta. Infatti un modello su scala di una classica turbina a vento bipala con un’area battuta dal vento 4i diametro di 1200 mm., e che riproduce un impianto commerciale con area battuta dal vento di diametro di 30 m., ha una superficie anteriore della pala di 530 cm2. Questo significa che il modello B3 può, attraverso la sua area battuta dal vento, ‘produrre energia da una maggiore quantità di corrente del vento.

Tutti i test sperimentali sono stati condotti nelle stesse condizioni ambientali: TA = 286 K; Pa = 1005 mbar; F= 75%, dove TA è la temperatura ambiente, Pa la pressione ambiente’ e  F la relative umidità dell’aria dell’ambiente.

RISULTATI PRINCIPALI

Il test sperimentale è stato condotto stabilendo diverse velocità del vento, da 4 a 10 m/s, che è il campo di variazione normale per buona parte dell’anno, e aumentando il contrappeso del freno a ciascuna velocità del vento. La velocità di rivoluzione del bulbo chirale è stata adeguata per massimizzare la produzione di energia utilizzando un set di potenziometri. Le turbine tradizionali A2 e A3 non vi è produzione di energia, mentre la turbina chirale (Al) comincia a produrre energia ad una bassa velocità del vento. Infatti a 4 m/s è stata rilevata una produzione di potenza pari a 1,5 W, mentre a 10 m/s la potenza raggiunge 26 W. Questo è dovuto al tipo di energia utilizzata dal rotore chirale. Infatti una turbina a vento tradizionale usa l’energia cinetica del vento mentre l’elica chirale sfrutta l’energia della pressione. Quando si utilizza la rivoluzione del bulbo, è possibile generare un calo di pressione fra le due parti opposte della pala chirale con la deviazione delle linee di flusso a partire da velocità del vento basse. Questo fenomeno genera una portanza che determina il necessario momento di forza. Lo stesso comportamento è stato notato nel confronto fra i rotori tradizionali e quelli chirali bipale. Per aumentare la possibilità di una turbina tradizionale di utilizzare l’energia cinetica del vento è stato costruito un classico rotore bipala di ampia superficie (p.e. B3). I test sperimentali  indicano che, ad una velocità del vento variabile fra 8 e 10 m/s, la produzione di energia dell’elica chirale è maggiore di circa il 10-30% di quella del modello B3. Per velocità del vento variabili fra 6 e 8 m/s la produzione chirale di potenza è maggiore di circa il 100-700% di quella del B3. Quando la velocità del vento scende sotto le 6 m/s non vi è produzione di energia da parte della tradizionale turbina a vento a fronte dei 2 W prodotti da quella chirale. Affinché il modello di turbina chirale Bl cominci la sua rotazione è necessaria una velocità del vento di circa 3 m/s; questo significa che, aumentando le dimensioni del modello, sarà possibile produrre dell’energia anche a una velocità del vento più bassa a causa della dipendenza dell’effetto Magnus dal quadrato del raggio del bulbo. Nel valutare questi risultati è importante notare che i motori a c.c. riducono la superficie della pala chirale. Questo significa che il modello B3 ha una superficie anteriore della pala più ampia di circa il 10%. Malgrado la maggiore inerzia della turbina chirale, in tutti i test sperimentali è stato osservato un periodo molto breve per raggiungere la massima velocità di rotazione rispetto a quella tradizionale. Considerando che l’effetto Magnus è proporzionale al quadrato del raggio del bulbo, per l’equazione del vortice e per il teorema di Kutta-Joukowsky, la portanza, in modulo, per un flusso non viscoso è data dall’equazione (2), in cui R è il raggio del bulbo. Quindi, ad una velocità del vento di l0 m/s, l’energia prodotta da un reale rotore chirale bipala, con un diametro di 14 m., e considerando l’effetto del numero di Reynolds, può essere calcolata intorno ai 200-300 kW, invece dei 2040 kW di un modello classico. Tutti questi risultati mostrano che la turbina chirale può produrre maggiore energia per periodi temporali più lunghi rispetto alla tradizionale turbina a vento. Questo è dovuto alla costante presenza di una grande quantità e di un valore più alto dell’energia della pressione, rispetto a quella cinetica, disponibile nell’ambiente,. che può essere utilizzata dall’elica chirale in caso di vento debole.

Queste potenze sono paragonate con quelle massime ottenibile dalle turbine classiche secondo Betz, e, quelle chirali. Nel valutare la potenza della turbina classica, sono state prese in considerazione il valore medio C~ di una macchina commerciale per tutti i campi di variazione della velocità del vento. La potenza della turbina chirale è stata valutata utilizzando l’equazione (2), mentre per calcolare la portanza, si è preso in considerazione la velocità periferica e di rivoluzione della pala che sono mediamente dalle 2,8 alle 4,5 volte maggiori di quelle della velocità del vento.

La potenza ideale ottenuta in questo modo è stata ridotta con un coefficiente che varia da 0,1 ~ 0,4 e che prende in considerazione tutte le perdite dinamiche del fluido. Nello stabilire questo valore del coefficiente di riduzione è di fondamentale importanza l’esigenza di ottenere elevati rendimenti a basse velocità del vento. Infatti, a causa della variabilità del vento, la progettazione dell’elica chirale non deve soddisfare i picchi della velocità del vento, perché questo comporta l’adozione di grossi generatori elettrici, quindi un incremento dei costi dell’impianto.

Inoltre l’utilizzazione della pala chirale ad alta velocità del vento, con elevata portanza della pala ed elevata installazione di potenza (p.e. grossi generatori elettrici), diminuisce il rendimento energetico che si può ottenere nel corso dell’anno e quindi la caratteristica convenienza di quest’elica. Le aree delimitate dalle curve e dalle ascisse delle velocità del vento  rappresentano la quantità della produzione di energia. Considerando la distribuzione di frequenza su base annua della velocità del vento per mezzo del diagramma di Weibul, è chiaro che anche quando il vento è basso (cioè per la maggior parte dell’anno), il rotore chirale può produrre un’elevata quantità di energia. Si è calcolato che la potenza dei motori a c.c. utilizzati per muovere i bulbi sia circa il 24% della totale produzione di energia dell’elica. Per le velocità del vento più frequenti (3-6 m/s) la produzione di energia dell’elica chirale è tra 1045 volte maggiore di quella della turbina classica. Questo significa un’elevata produzione di energia elettrica per buona parte dell’anno.

CONCLUSIONI

I test sperimentali mostrano che i rotori a pale chirali sono in grado di produrre energia anche a bassa velocità del vento, a partire da 4 m/s, mentre le classiche eliche a vento producono mediamente energia a velocità del vento di 8-10 m/s. Inoltre il tasso rilevato di produzione di energia di una turbina chirale e pari a 10-20 volte quello di una classica turbina a vento alla stessa velocità del vento. Infatti dai test sperimentali e dalle equazioni è possibile calcolare una produzione di potenza di una turbina chirale bipala, con un’area battuta dal vento di diametro di 14 metri, pari a 200-300 kW a una velocità del vento di 10 m/s, mentre una classica turbina a vento bipala dello stesso diametro, e alla stessa velocità del vento, può produrre circa 2040 kW. Considerando che la classica turbina a vento è produttiva con una velocità del vento superiore a 8-10 m/s, e che la velocità normale dei venti per buona parte dell’anno è inferiore a 8-10 m/s, adottare una turbina a vento chirale significa un incremento della produzione di energia del 2000% all’anno. Inoltre i rotori chirali riducono l’impatto ambientale grazie alla loro maggiore produzione di energia per unità di area battuta dal vento rispetto ai rotori classici. Tutte queste caratteristiche rendono, per l’immediato futuro, quella dei rotori a pale chirali una soluzione interessante per la produzione di energia dalla risorsa rinnovabile dell’energia eolica.

REFERENZE

[1]        Todeschini, M. (1978), Psicobiofisica : MEB, Torino

[2]        Perucca, E. (1963), Fisica Generale e Sperimentale: UTET scienze, Vol. I, 586-587 Torino

[3]        Adair, R.K. (1990), The Physics ofBaseball: Harper & Row, New York

[4]        Barkla, H., & Auchterlonie, L. (1971). The Magnus ofRobbins effect on rotating spheres. Journal of Fluid Mechanlcs, 47,437-447

[5]        E1-Wakil, M.M. (1984), Powerplanl Technology: McGrawHill, 613-621, Singapore

[6]        Hirschfeld, F. (1977), Wind Power-Pipe Dream or Reality, Mech,Eng., vol. 99,. pp. 20-28

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2 thoughts on “Energia eolica – Le piccole tecnologie diffuse, per un nuovo pianeta: il caso dell’elica chirale che produce energia a bassa intensità di vento

  1. CEI S.r.l. martedì 29 giugno 2010 / 16:08

    Gradirei maggiori informazioni di produzione di energia eolica con sistema AEROGENERATORE con motore a vento con pale CHIRALI .
    Distinti Saluti

  2. Pecchi Patrizio sabato 24 luglio 2010 / 12:38

    vorrei sapere dove poter acquistare una turbinetta a pale chirali per una produzione di energia a carattere famigliare.Quanto costa e se è obbligatorio il permesso del mio comune di residenza e se ci sono degli incentivi da parte dello stato.Per cortesia la risposta veloce in quanto come sapete a fine anno spariranno molti incentivi.Grazie

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