Sembra che ogni settimana venga svelata una nuova innovazione per un generatore eolico, a volte nei blog di tecnologia, a volte in segmenti televisivi, una volta persino nei TED Talks. Tutti sostengono di essere migliori delle iconiche turbine eoliche a tre pale e ad asse orizzontale che conosciamo meglio. Quindi qual è il design più efficiente per catturare l’energia eolica? Se ogni progetto fosse soggetto a una fonte di vento costante, e ogni progetto avesse la stessa superficie (per le pale, le alette, o altri componenti), quale genererebbe più elettricità nello stesso intervallo di tempo?
Risposta breve
Una moderna turbina eolica a tre pale ad asse orizzontale genererebbe la maggior parte dell’elettricità. Le affermazioni di prestazioni superiori da parte di tecnologie alternative accompagnate da richieste di investimento dovrebbero essere viste con estremo scetticismo.
Risposta lunga
La massima generazione potenziale da un volume di vento è determinata dalla legge di Betz (alternativamente nota come limite di Betz). Betz calcolò che la potenza massima che si poteva ottenere dal vento era il 59,3% della sua energia totale.
Turbine eoliche a tre pale ad asse orizzontale
Turbine ad asse verticalead asse verticale con pale aerodinamiche
Cablato, generatori eolici volanti (solo prototipi e rendering al momento)
Generatori eolici addi vari tipi senza componente aerodinamica delle pale
Generatori eolici ad asse verticalegeneratori eolici ad asse verticale di vario tipo come il generatore Savonius senza pale aerodinamiche
Vari dispositivi che sembrano motori a reazione, o motori a reazione con grandi imbuti, coni con pistoni (il Saphonian ) o cavatappi
Torre che usano il riscaldamento solare passivo intorno alla loro base per creare forti venti che risalgono la torre oltre le pale eoliche che girano all’interno della torre
Come si comportano?
Ci sono più di 300.000 turbine eoliche a tre pale ad asse orizzontale che generano energia. Sono la forma di generazione vincente perché sono le più efficaci. Le ragioni sono facili da spiegare:
Le pale aerodinamiche aggiungono una componente di forza legata alla portanza per guidare la pala più velocemente. Questo è un vantaggio significativo rispetto ai mulini a vento ad asse orizzontale o verticale. Qualsiasi turbina eolica anche adeguatamente progettata con pale aerodinamiche genererà sempre più elettricità del miglior generatore senza portanza aerodinamica come componente di cattura dell’energia.
Le pale del design a tre pale volano sempre attraverso aria pulita. La turbolenza del passaggio della pala precedente è stata trasportata sottovento nel momento in cui la pala successiva passa lo stesso punto. Le turbine eoliche ad asse verticale, siano esse a pale o a puro trascinamento, volano in aria turbolenta per una percentuale significativa del tempo. L’aria pulita permette alle HAWT a tre pale un vantaggio considerevole.
Le pale del design a tre pale sono sempre presentate all’angolo ottimale rispetto al vento in arrivo. Le turbine eoliche ad asse verticale con pale aerodinamiche cambiano costantemente l’angolo delle loro pale rispetto al vento in arrivo mentre ruotano, e solo una parte anche dei migliori progetti si trova ad un angolo ottimale in qualsiasi momento. Allineare le pale degli HAWT all’aria in arrivo richiede una quantità banale di energia rispetto a questo vantaggio. I generatori eolici Savonius (dal nome di un ingegnere finlandese che ha creato una variante comune nel 1922) sono ancora peggio, in quanto catturano il vento nella concavità in metà della loro superficie e perdono il vento sulla parte convessa con conseguente resistenza e turbolenza aggiuntiva sull’altra metà della loro superficie. (Ho analizzato un potenziale investimento per una piccola impresa nella capacità di microgenerazione e ho visto che l’inventore aveva creato 5 “innovazioni” intorno alla premessa di base di Savonius che lo hanno portato da una forma economica di energia sufficiente per usi irrigui minori a una forma molto costosa di generazione di energia sufficiente per usi irrigui minori). Per il contesto, ecco un economico mulino a vento Savonius per l’irrigazione fatto con un vecchio barile di plastica e un po’ di legname di scarto.
Le tre pale si scalano bene. Uno dei maggiori vantaggi è che si può mettere un set di pale molto grande su una torre molto alta e raccogliere molto vento sopra il punto in cui rallenta a causa del contatto con il terreno.
Sono stati proposti molti design ‘innovativi’ che usano una sorta di effetto Venturi in combinazione con i rotori delle turbine, ma il problema fondamentale è che per raccogliere abbastanza vento, si deve scalare il guscio esterno fino al punto in cui il peso e i costi dei materiali diventano proibitivi. Un guscio esterno deve scalare almeno fino al quadrato del diametro e probabilmente di più. Una turbina eolica da 3 MW con pale di 80 metri può catturare un sottoinsieme dell’energia da 20.096 metri quadrati di aria. Un guscio Venturi su quella scala avrebbe una circonferenza di 251,2 metri, dovrebbe essere largo almeno 10 metri prima che gli effetti degni di nota inizino a manifestarsi e peserebbe una quantità enorme.
Altri progetti ‘innovativi’ fanno volare dispositivi di cattura del vento di qualche tipo o altro – pale di turbine con guscio di dirigibile, telai con turbine, aquiloni con turbine – in un vento che è più costante e più alto dal suolo. Il problema è che questi si scontrano costantemente con i limiti di scala. Il generatore eolico a guscio di dirigibile inizia ad avere problemi di rigidità molto prima di arrivare alla generazione su scala industriale. Gli aquiloni volanti con pale iniziano a richiedere cavi massicci e molto lunghi per resistere alle forze. Generalmente questi prototipi sono molto interessanti e non vedono mai il mercato. Tutti loro iniziano a richiedere massicce installazioni a terra con argani straordinariamente grandi quando si vogliono livelli di generazione di utilità. Quando cominci a pensare ai livelli di forza delle navi moltiplicati per i chilometri di cavo, cominci a realizzare che il peso e la spesa del cavo da soli diventano proibitivi a qualsiasi livello utile di generazione.
Le tre pale stanno semplicemente in un posto su un grande pilastro quando stanno generando elettricità. Questo è molto efficiente, che è una delle ragioni per cui ripagano l’energia usata nella costruzione più velocemente di qualsiasi altra forma di generazione elettrica. Un parco eolico in Australia ha generato 302 volte l’elettricità che è stata usata per avviarli, frenarli e trasformarli nel vento in un anno. Confrontate questo con i requisiti di una turbina eolica volante che deve essere trainata quando il vento non soffia, lanciata quando il vento inizia e ha un cavo pesante potenzialmente lungo chilometri regolato per massimizzare la generazione regolarmente.
Il grafico qui sotto è tratto dal libro del 2006 di E. Hau, Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Germania. 2006. Anche all’epoca, questa non era una nuova notizia, ma semplicemente una dichiarazione ovvia da includere nei libri di testo.
La torre solare-eolica con pale di turbina si avvicina di più ad essere una tecnologia interessante, tuttavia la manutenzione non viene mai esplorata. Le turbine sono spesso immaginate come impilate da 3 a 7 o più orizzontalmente sulla lunghezza della torre. In alternativa, quelle molto più piccole sono distanziate intorno alla base della torre all’interno delle gallerie che conducono dall’ampia matrice di vetro. Saranno in funzione in venti molto caldi, probabilmente 45 gradi Celsius o più, a velocità di 50 km/h e più. In effetti, il dispositivo è un forno a convezione che cucinerebbe un essere umano in breve tempo. Lavorare all’interno della torre richiederebbe tute refrigerate e attrezzatura per la respirazione, se la velocità del vento lo rendesse fattibile. Estrarre la testa della turbina o le pale dalla torre per la manutenzione sarebbe un lavoro straordinario. Chiudere l’ingresso del vento richiederebbe la chiusura di cancelli su un diametro di cinque chilometri.
Guarda attentamente il mio post correlato Investire; le “innovazioni” dell’energia eolica sono raramente kosher per le domande da porre su qualsiasi pezzo innovativo di generazione eolica, specialmente se qualcuno ti sta chiedendo di metterci dei soldi.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Perché le turbine eoliche ad asse verticale non sono più popolari?
Le turbine eoliche aeree sono una fonte plausibile di energia a basso costo?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
Le turbine eoliche ripagano il “debito” ambientale totale in meno di sei mesi
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
L’eccellente materiale di Paul Gipe sull’economia della generazione eolica
