Simulazioni computazionali hanno rivelato che una progettazione ottimale, in particolare un albero da 80 cm con un diametro di 65 cm, massimizza la potenza erogata mantenendo l'integrità strutturale
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Le turbine eoliche senza pale, nate per catturare l’energia delle vibrazioni, possiedono un grande potenziale nella produzione di elettricità pulita su piccola scala. Ad oggi, tuttavia, ottenere la massima potenza possibile, mantenendo al contempo l’integrità strutturale, risulta ancora un ‘impresa.
In aiuto arriva lo studio di un gruppo di ingegneri dell’Università di Glasgow (Scozia), che ha impiegato la simulazione computazionale per identificare la strada verso una maggiore efficienza. L’indagine ha abbracciato un ampio spettro di geometrie funzionali, esaminandone l’impatto sulla capacità di generazione energetica, sull’efficienza operativa e sull’integrità strutturale.
“Ciò che questo studio dimostra per la prima volta è che, controintuitivamente, la struttura con la massima efficienza nell’estrazione di energia non è in realtà quella che fornisce la massima potenza in uscita”, spiega il dott. Wrik Mallik, uno degli autori dell’articolo pubblicato su su Renewable Energy. “Abbiamo invece individuato il punto intermedio ideale tra le variabili di progettazione per massimizzare la capacità delle turbine eoliche senza pale di generare energia mantenendo al contempo la loro resistenza strutturale”.
Turbine eoliche senza pale, cosa sono e come funzionano
Le turbine eoliche senza pale o BWT (acronimo dell’inglese bladeless wind turbine) sono dispositivi innovativi che sfruttano l’energia eolica attraverso attraverso un fenomeno chiamato vibrazione indotta dal vortice, anziché affidarsi alle tradizionali pale.
Il funzionamento è semplice: il vento soffia attorno ad un corpo cilindrico smussato, crea vortici alternati sia dietro che davanti la struttura. Quando la frequenza di questi vortici corrisponde alla frequenza di risonanza naturale del cilindro, la struttura inizia a vibrare. Queste oscillazioni possono quindi essere convertite in elettricità, solitamente tramite un alternatore.
Studi di settore hanno dimostrato che l’aumento dell’ampiezza di oscillazione del corpo può aumentare a sua volta questo intervallo di cattura. Pertanto, la progettazione di una turbina eolica senza pale con ampiezze di oscillazione maggiori può far crescere simultaneamente la potenza in uscita e l’intervallo di velocità del vento operativo.
Quali sono i vantaggi dell’eolico senza pale?
Il primo è più immediato riguarda la manutenzione. In assenza di pale, ingranaggi e altri parti rotanti il dispositivo appare meno soggetto all’usura e alla rottura. Per lo stesso motivo risulta anche più silenzioso, una delle maggiori preoccupazioni che le tradizioni turbine si portano ancora dietro (ingiustamente).
Un altro vantaggio riguarda la progettazione. Queste turbine vantano dimensioni ridotte e compatte che facilitano un’installazione più densa a livello di unità.
Gli esperimenti di settore per portare sul mercato le BTW si sono fermati, tuttavia, a piccole scale di potenza (1-100 W). Ad una potenza maggiore infatti, le vibrazioni rischiano di danneggiare la struttura cilindrica.
Verso turbine eoliche senza pale da 460 W
Il team dell’Università di Glasgow ha trovato un modo per aumentare la potenza di picco senza compromettere l’integrità strutturale a causa delle oscillazioni.
Nel dettaglio gli ingegneri hanno modellato le BTW per simulare le prestazioni di migliaia di varianti progettuali. E hanno così ottenuto nuove informazioni sull’interazione tra dimensioni dell’albero, potenza erogata e sicurezza strutturale in presenza di venti tra 32 e 110 km/h.
La loro scoperta principale è che esiste un design ideale per le turbine eoliche senza pale. Design che crea un punto preciso in cui la produzione energetica è massimizzata rispetto alla resistenza strutturale.
Questo design ottimale prevede un albero da 80 cm con un diametro di 65 cm. Solo in questo modo la turbina riesce ad erogare in sicurezza un massimo di 460 watt di potenza, superando significativamente le prestazioni dei prototipi più performanti finora costruiti.
Il modello ha anche dimostrato i limiti di altri progetti, potenzialmente in grado di generare più energia. Nell’articolo, gli autori mostrano come diverse turbine potrebbero, in teoria, generare fino a 600 watt, ma in condizioni reali si romperebbero rapidamente.
