Le turbine eoliche possono produrre più energia senza diventare più grandi: il test con un modello da 15 centimetri
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La velocità migliore cambia quando cambia l’angolo del vento
Perché comprimere così tanto l’aria
Il modello gira su un portatile, le turbine vere devono ancora provarlo
Una turbina da appena 15 centimetri, chiusa in una galleria del vento fortemente pressurizzata, ha mostrato una cosa molto concreta: quando il rotore non è perfettamente allineato con il vento, cambia anche la velocità delle pale che permette di ottenere la massima potenza. Continuare a regolare la turbina come se il vento arrivasse sempre dritto può quindi lasciare energia per strada.
È il risultato dello studio pubblicato su PNAS Nexus da un gruppo di ricercatori della Queen’s University, del MIT, di Princeton e della Pennsylvania State University. Il problema è molto concreto: fuori dal laboratorio il vento cambia continuamente direzione e una turbina, per quanto sofisticata, non riesce a seguirlo all’istante.
Le turbine moderne ruotano infatti per orientare il rotore verso il vento, ma questo movimento richiede tempo. Nel frattempo possono trovarsi con il flusso che arriva di sbieco. E nei parchi eolici il disallineamento viene talvolta introdotto persino volontariamente per deviare la scia di una turbina ed evitare che sottragga vento a quella successiva.
La velocità migliore cambia quando cambia l’angolo del vento
I ricercatori hanno lavorato soprattutto sul cosiddetto tip speed ratio, il rapporto tra la velocità con cui si muove l’estremità delle pale e la velocità del vento. Quando una turbina cerca di estrarre la massima potenza, questo parametro viene normalmente mantenuto vicino a un valore considerato ottimale. Gli esperimenti hanno però mostrato che quell’ottimo non rimane fermo: varia con l’angolo di disallineamento tra rotore e vento.
Nel test, aumentando il disallineamento diminuivano potenza e spinta, come prevedibile. Cambiando contemporaneamente il tip speed ratio, però, comparivano nuovi punti di massima produzione. Una turbina investita dal vento con un certo angolo potrebbe quindi recuperare parte della potenza persa semplicemente modificando più rapidamente la velocità del rotore.
È una possibilità interessante perché il tip speed ratio può essere regolato attraverso la coppia del generatore molto più velocemente di quanto l’intera navicella riesca a ruotare per inseguire una variazione nella direzione del vento. Oggi, spiegano gli autori, velocità del rotore, inclinazione delle pale e orientamento vengono raramente ottimizzati insieme nelle strategie di controllo dei parchi eolici.
Perché comprimere così tanto l’aria
Resta da capire come una turbina grande quanto un piatto possa dire qualcosa su macchine con rotori larghi decine o centinaia di metri. Una normale miniatura in galleria del vento non basta. Riducendo drasticamente le dimensioni cambiano infatti anche le condizioni aerodinamiche, in particolare il numero di Reynolds, che descrive il rapporto tra inerzia e viscosità del flusso.
Per aggirare il problema il gruppo ha utilizzato l’High Reynolds Number Test Facility di Princeton, una galleria capace di lavorare con aria fortemente pressurizzata. In questo modo la densità dell’aria nelle prove arrivava a essere da 100 a 220 volte quella atmosferica. Come ha spiegato il primo autore John Kurelek al MIT News Office, il modello da 15 centimetri poteva così riprodurre alcuni aspetti aerodinamici di turbine con rotori nell’ordine dei 15-20 metri, arrivando in determinate condizioni a simulare scale fino a circa 35 metri.
Il modello gira su un portatile, le turbine vere devono ancora provarlo
Gli esperimenti sono serviti anche a verificare lo Unified Wind Turbine model, un modello sviluppato dal gruppo del MIT per prevedere potenza e forze sul rotore al variare di orientamento, velocità e inclinazione delle pale.
Il vantaggio pratico è la leggerezza: può essere eseguito su un normale computer e permette quindi di provare rapidamente molte strategie di controllo prima di portarle su un impianto vero. Nei test, il modello è riuscito a prevedere anche il tip speed ratio che massimizza la potenza ai diversi angoli di disallineamento entro l’incertezza sperimentale.
Gli autori hanno poi utilizzato il modello in simulazioni di controllo di un parco eolico. Ottimizzare insieme orientamento, inclinazione delle pale e velocità del rotore ha prodotto guadagni energetici fino al 40% superiori rispetto a quelli stimati usando un modello convenzionale del comportamento della turbina in disallineamento. Quel 40%, però, riguarda il guadagno ottenuto dalla strategia di controllo, non l’elettricità prodotta dall’intero parco eolico
Da queste simulazioni nasce anche la stima, riportata dal MIT, di possibili ricavi aggiuntivi nell’ordine delle decine di migliaia di dollari all’anno per turbina. Sono però stime ottenute dalle simulazioni, non ricavi già osservati su un parco eolico reale: dipendono dal sito, dalla macchina, dal vento e dal valore dell’elettricità. La macchina rimane dov’è. Prima di conteggiare megawattora e dollari, però, questo margine dovrà uscire dalla galleria pressurizzata e dimostrare quanto vale sulle turbine vere.
Articolo a firma: Ilaria Rosella Pagliaro
Fonte: greenme
