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La sfida tecnica
Il vento, come tutte le fonti rinnovabili, non è una risorsa omogenea e le diverse tipologie di flussi non possono essere sfruttate allo stesso modo.
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Il limite teorico di energia estraibile da una turbina è circa il 59% dell'energia cinetica totale da cui è investita; questo è chiamato limite di Betz, ma nella pratica solo poche turbine di enormi dimensioni raggiungono valori vicini al 48%. Questo parametro, che sulle turbine si chiama coefficiente di potenza (Cp), indica quanta di quell'energia cinetica che era disponibile nell'aria, riesco effettivamente a catturare. Non di rado online si trovano prodotti che truffaldinamente ignorano questo parametro e dichiarano delle potenze che sarebbero reali solo in mezzo a un uragano.
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Le turbine attualmente disponibili sul mercato si dividono in due macrocategorie in base alla posizione dell'asse: quelle ad asse orizzontale (HAWT) che tutti conosciamo, e quelle ad asse verticale o VAWT, come quella che proponiamo nel nostro progetto.
Sebbene le turbine ad asse orizzontale siano mediamente più performanti in termini di Cp, perdono drammaticamente il loro vantaggio in presenza di vento turbolento, poiché devono essere continuamente orientate verso la sua direzione di provenienza.
Le turbine ad asse verticale, invece, catturano i flussi d’aria da qualsiasi direzione, un grande vantaggio in ambito urbano.
Tuttavia, presentano alcune sfide: l'inerzia più elevata rispetto alle turbine ad asse orizzontale le rende spesso inadatte a inseguire le raffiche tipiche delle città. Questo problema viene parzialmente mitigato dall’uso di materiali compositi per le pale, che non sempre sono riciclabili, a volte garantiscono la necessaria resistenza ai cicli di fatica e aumentano il costo complessivo del rotore.
Il nostro obiettivo è superare queste limitazioni, rendendo le turbine urbane più efficienti, sicure e sostenibili; in generale una valida alternativa o un supporto al fotovoltaico dove spazi, esposizione o ombreggiamento non permettono l'installazione di un impianto o un suo ampliamento.
La sfida urbana
Estrarre energia dal vento nelle città è una sfida complessa. I flussi ventosi, anziché essere laminari e costanti, sono confusi, vorticosi, improvvisi e cambiano direzione facilmente. Queste condizioni riducono la velocità del vento vicino al suolo, diminuendo la densità di potenza disponibile, ovvero la quantità di energia che passa attraverso le pale di una turbina per metro quadro.
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​La densità di potenza di un dato luogo è un parametro che indica quanto questo è ricco di vento per ogni metro quadrato: a 10 metri dal suolo, l'intero territorio italiano ha una capacità media di 140 Watt per metro quadro, mentre un terzo del paese ha a disposizione almeno 300 W/m².
In ambito urbano, sfida viene ulteriormente amplificata dalle raffiche, che accelerano i rotori delle turbine in modo intermittente, con periodi di pochi minuti per centinaia di volte al giorno. Per sfruttarle efficacemente occorre che i rotori siano leggeri, con una bassa inerzia, ovvero un'elevata capacità di poter accelerare sotto la spinta del vento.
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Immaginate di dover spingere un carrello della spesa. Se è vuoto, con una breve spinta, la raffica, riuscite a farlo partire e prendere velocità facilmente. Ma se il carrello è pieno di bottiglie pesanti, la stessa spinta breve non basta: rimane pressoché fermo a causa della sua elevata inerzia, richiedendo più forza o un impulso più lungo per iniziare a muoversi.
Le turbine eoliche con elevata inerzia si comportano come il carrello pieno: le brevi raffiche di vento in ambito urbano, che agiscono come spinte intermittenti, faticano a mettere in moto il rotore. Ridurre l’inerzia diventa fondamentale per catturare l’energia anche da questi flussi d’aria instabili e irregolari.
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La sicurezza dei componenti, la rumorosità, le vibrazioni trasmesse agli edifici, l’integrazione nell’estetica urbana, la sostenibilità ambientale durante l'intero ciclo di vita, l'interferenza elettromagnetica e la sicurezza per l'aviofauna, sono altre sfide su cui stiamo lavorando per creare un prodotto che possa finalmente integrarsi la dove viene richiesta sempre più l'energia, l'ambiente urbano.
Distribuzione cumulativa della densità di potenza media a 10 metri di altezza sul suolo italiano. Il 10% del territorio ha una densità di potenza media di 615 W/m²
Risorsa eolica urbana misurata su un tetto che mostra un periodo con elevate fluttuazioni; i dati mediati a 1 Hz (1 dato al secondo, linee tratteggiate) e a 0,1 Hz (1 dato ogni 10 secondi, linee continue). Da notare la quantità e l'intensità di fluttuazioni in poco più di 3 minuti.
L' innovazione
La nostra turbina affronta le sfide tecniche e urbane con una soluzione innovativa brevettata. Per ridurre l’inerzia, che varia esponenzialmente con il quadrato della distanza, abbiamo progettato un sistema che modifica il diametro della turbina solo nel momento in cui vi è un'effettiva necessità di far accelerare il rotore. Questo può diventare ancora più efficente grazie ad un algoritmo di intelligenza artificiale che impara a predire le raffiche e posiziona le pale al diametro ottimale, permettendole di essere in sintonia con i flussi intermittenti dell’ambiente urbano.
Così è possibile avere una turbina che può variare l’inerzia e mantenere ampia l’area di cattura del vento, a seconda delle condizioni metereologiche, ma può darci anche dell'energia extra immagazzinata sotto forma di inerzia se il carico chiede un "boost".
Inoltre abbiamo integrato nello stesso sistema un secondo meccanismo di variazione del passo delle pale che permette di effettuare una regolazione fine per ridurre le forze sulla turbina, limitare la velocità di rotazione, garantire l’auto avvio ed abbattere i cicli di fatica, aumentando la vita utile della turbina.
Queste caratteristiche portano ad un miglioramento della sostenibilità ambientale consentendo di aumentare l’energia prodotta e ad un maggior ritorno economico nel tempo per l'acquirente, compensando l’investimento per l’acquisto in meno anni.
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I vantaggi possono poi essere estesi ad una vasta gamma di utilizzatori che abbiano necessità di energia elettrica portatile, come alla nautica da diporto o ai camper; avremmo in questi casi la possibilità di fornire un prodotto efficiente e che possa essere richiuso su se stesso con un pulsante prima di partire per la prossima destinazione.
Diamo i...numeri
I dati sono fondamentali per valutare le potenzialità del micro-eolico. La potenza eolica aumenta con il cubo della velocità del vento: un raddoppio della velocità genera otto volte più energia. Per questo, le installazioni sono consigliabili in aree con una ventosità media annua di almeno 4 m/s (circa 14 km/h).
Tuttavia, dire che una turbina è da 3 kW non significa nulla se non si specifica a quale velocità del vento raggiunge quella potenza. Generalmente, questo valore si ottiene tra 10 e 12 m/s (36-43 km/h).
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Le nostre analisi dimostrano che, a parità di pale rispetto a due competitor, siamo in grado di ridurre l’inerzia tra il 120% e il 270%. Questo si traduce in una maggiore energia raccolta durante le raffiche, fino anche a 300 al giorno in città, e nel dimezzamento della velocità di avvio della turbina.
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Grazie a queste soluzioni, potremmo utilizzare un'ampia gamma di materiali riciclabili fino anche 7 kg più pesanti per pala senza comprometterne le prestazioni, a vantaggio dell’ambiente e dei costi.
In Italia, il 20% del territorio è investito da una ventosità media di 4,3 m/s, sufficiente per una turbina di 10 m² a produrre circa 8000 kWh all’anno, generando un valore economico di circa 2000 € al costo attuale dell’energia. ​
Grafico fra la distribuzione cumulata probabilistica di velocità del vento di Lecce e l'energia prodotta da una turbina VAWT senza variazione della geometria contro la turbina a geometria variabile di IKARIA. Si noti in azzurro, la quantità di energia in più espressa in kWh che è possibile recuperare con questo sistema.
Grafico fra la distribuzione cumulata probabilistica di velocità del vento di Trieste e l'energia prodotta da una turbina VAWT senza variazione della geometria contro la turbina a geometria variabile di IKARIA.
A questa energia poi va sommata l'energia in più che è possibile recuperare grazie alla nostra tecnologia estendendo o contraendo il raggio della turbina per far si che catturi il massimo del vento entro i suoi limiti strutturali, ottenendo un guadagno fra il 17% e il 38% in più rispetto ad una turbina a geometria fissa, anche quando le altre si fermano!
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