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La risorsa eolica: come nasce il vento

In questa relazione ci accingiamo a mettere in evidenza le risorse energetiche collegate a questo fenomeno e allo sfruttamento di questa forza naturale nella conversione in Energia meccanica e a seguito elettrica, impiegabile nel nostro fabbisogno quotidiano.

Sappiamo per principio di base che il sole non potrà mai riscaldare in maniera uniforme la superficie terrestre, ne consegue la differenza di temperatura che si crea tra l’aria sopra le terre emerse, (riscaldata di giorno velocemente), e l’aria sopra gli oceani (che rimane fredda e umida), questo fenomeno genera una differenza di pressione che risulta più alta sui mari e più bassa sulle terre emerse. Da questa differenza di potenziali che ha origine il vento. Inoltre a seguito della rotazione terrestre si hanno vuoti d'inerzia, i movimenti delle masse d’aria vanno a colmare questi vuoti generando differenze di pressione, che formano le nuvole. Esse migrano per effetto della coppia di momenti ventosi opposti e si trasformano in cicloni (effetto della forza di Coriolis); in modo analogo gli anticicloni che mantengono il cielo sereno.

Si riscontrano per cui, “venti” agenti su larga scala, come gli alisei e altri circoscritti in aree limitate influenzati da fattori locali; quindi osservando per lunghi periodi, il vento si presenta con carattere di variabilità e ricorrenza; inoltre si presentano altri fattori aleatori e più deterministici, quale l’aspetto orografico (montagne, palazzi ecc.) e la rugosità superficiale del terreno (erba, sterpaglie, massi, rocce, ecc.) a determinarne l’andamento.

La previsione del vento nel corso del tempo e la sua variabilità è riconducibile a questi fattori importanti per cui determinante è il tipo di territorio interessato.

Classificazione macchine eoliche

Piccola taglia: da pochi watt sino a 200 kW.

Media taglia: da 200 a 1000 kW

Grande taglia: oltre 1000 kW

Di piccola taglia sono: aerogeneratori di tipo orizzontale e di tipo verticale, riscontrabile nel proprio asse di rotazione.

Gli aerogeneratori di media-grande taglia sono ad asse orizzontale, generalmente a tre pale, con il rotore sopravento rispetto alla torre (il vento incontra prima le pale e successivamente il sostegno), per catturare la maggior quantità di vento direttivo e costante anche se è necessario salire ad altezze medie importanti (da 50-100mt in media).

Le tecnologie di sfruttamento di questa risorsa sino ad ora si sono indirizzate verso questo modello orizzontale per una serie di fattori determinanti: a) per le conoscenze aeronautiche avanzate delle figure professionali presenti sul mercato, che ne hanno facilitato lo studio nella progettazione dei profili alari e strutturali; b) la corsa verso il business che non ha consentito ad oggi, di avere tempo per studiare in maniera adeguata nuovi generatori, fin tanto che, lo sfruttamento di quelli esistenti, producessero risultati di grado utile finanziabile. c) Determinante che i grossi imprenditori e le multinazionali abbiano avuto interesse a creare strutture potenti e complesse che frenassero la concorrenza, anche per ottenere il massimo dal proprio sito. Motivo per cui non hanno investito in altra direzione visti i risultati e volumi.

Negli aerogeneratori di piccola taglia, invece sono presenti sistemi ad asse orizzontale, di solito tripala, ma si riscontrano anche macchine bipala e ad asse verticale.

La maggior parte delle macchine impiegate nel micro e mini eolico utilizza pale realizzate in poliestere e fibra di vetro, le orizzontali sono dotate di timone per orientare il rotore in direzione del vento, di freni, di controlli vari, direzionali e di stallo; le verticali, invece non necessitano di timone, di controlli speciali direttivi e di freni esagerati, entrambe sono equipaggiate di alternatori sincroni a magneti permanenti, semplici e robusti.

Noi ci interesseremo di quelle ad asse verticale: in queste macchine si trovano due diverse tecnologie fondamentali che sfruttano i profili alari: di tipo resistivo: profilo Savonius e derivate, ibrido (resistivo e portante) come Lenz1, Lenz2 ecc., e di tipo portante: profilo Darrieus e derivate come C-Rotor, H-Rotor ecc.

Il profilo Savonius è stato impiegato ad oggi per la sua forza e robustezza e affidabilità alla gestione di fluidi importanti, per il pompaggio dell’acqua, in ultimo per la produzione di energia elettrica che li riconosce nella risposta a basse spinte con grossi volumi, in una macchina molto robusta, semplice dal punto di vista costruttivo e di funzionamento. Ha il vantaggio di avere una forte coppia di spunto, che gli consente di avviarsi anche con vento debole, mentre risulta poco adatto ai venti forti.

Il profilo Darrieus è stato impiegato nei prodotti alari di diverso tipo, tra cui le ali degli aerei, biplani e ogni tipo di velivolo che sfrutta la Portanza come fattore di risposta dinamico e fisico. Il suo uso è svariato in tutti i tipi di aerei e profili alari, che fanno della velocità di azione fluidodinamica, la migliore risposta in termini di rendimento e di spinta risultante. Ha il vantaggio di quadruplicare il rendimento con venti di forte intensità, ma di avere stabilità di rotazione, solo se in perfetto asse con il moto ventoso. Altro svantaggio in profili sia tripala che bipala, che i venti di piccola intensità la mandano in stallo di efficienza impedendole anche la ripartenza.

Si può facilmente capire da questa analisi, come la scelta sia caduta su questi profili da sfruttare, per l'impiego in macchine di grosse dimensioni, situate a dovuta altezza da terra dove i venti sono costanti e veloci, meglio se con controlli meccanici di fattura complessa, inattuabili da concorrenti più piccoli; inoltre avrebbero consentito un'apertura alare considerevole in grado di determinare una coppia meccanica grandiosa sui profili.

Struttura di un sistema ibrido (solare e eolico)

Il generatore, direttamente collegato al rotore, può essere del tipo: sincrono o asincrono. La tipologia impiegata di frequente è: sincrono a magneti permanenti. La corrente in uscita dall’alternatore, monofase o trifase, viene trasformata in continua attraverso un gruppo di conversione (raddrizzatore) o in funzione degli usi finali. Il pannello fotovoltaico invece fornisce una corrente già continua per cui non viene raddrizzata. Entrambe le energie vengono opportunamente miscelate e mandate nel gruppo inverter, che le ritrasforma in alternata per l'utilizzo comune. Il gruppo inverter di nuova generazione è in grado di gestire eventuali batterie per un impianto di tipo ad Isola o stand-alone, per l'auto approvvigionamento, nello stoccaggio di energia o entrambe le cose. Le sovratensioni sono controllate tramite centralina elettronica (wind controller)

Esempio di impianto ibrido ad isola off-grid e on-grid

Applicazioni del mini eolico

Off-grid (non connesso alla rete enel), per alimentazione di utenze isolate

- per abitazioni o piccole aziende (turbine singole, stand-alone, o accoppiate ad impianti di cogenerazione, fotovoltaici in sistemi ibridi)

- a servizio di sistemi di telecomunicazione (ripetitori di segnale, antenne)

- sistemi di monitoraggio qualità dell’aria

- impianti di pompaggio acque

-potabilizzazione (dissalazione) acqua marina

Queste tipologie di installazioni necessitano di un gruppo di batterie per l’immagazzinamento dell’energia. In queste installazione l’inverter potrebbe essere opzionale con generatore asincrono, altrimenti si rende necessario.

Sistemi grid-connected

- net-metering (scambio sul posto)

- vendita dell’energia (tariffa omnicomprensiva)

In questa situazione si necessita l’installazione di un tipico inverter, che trasformando la corrente da continua in alternata secondo gli standard di rete, rende possibile gli scambi con il gestore Enel. È necessario inoltre installare opportuni contatori (reversibili) che, nel caso del net-metering, permettono di effettuare un bilancio tra l’energia ceduta e quella prelevata

Sistemi di controllo, eolici necessari per tipologia di impieghi

Adesso analizziamo i due sistemi descritti e vediamo Il meccanismo di controllo: imbardata, frenata e fermo, per la maggior parte delle turbine mini-eoliche, sia orizzontali che verticali.

Per le orizzontali tutti questi dispositivi in grado di allineare controllare e frenare l'andamento del generatore sono necessari e devono essere molto sofisticati per evitare di pregiudicare il rendimento dell'intero sistema o addirittura la messa fuori uso dell'aerogeneratore, per cui in grosse produzioni possono essere solo gestiti da Aziende che producono la tecnologia necessaria, in altri casi e per piccole produzione i fallimenti sono stati maggiori dei successi.

Per le verticali in molti casi le velocità in gioco sono decisamente inferiori, per cui frenare e bloccare diventa meno frequente e meno oneroso, inesistente il fenomeno di imbardata perché non necessitano questi aerogeneratori di essere allineati al flusso ventoso, in quanto sono omni-direttivi in grado di accettare fonti ventose da ogni direzione durante il moto, hanno rendimenti a basso regime di rotazione, sono silenziosissimi e auto portanti perché bilanciati sull'asse centrale. Al momento non stanno prendendo quota come dovuto, ma sono a mio avviso il nuovo futuro se si riesce a ridurre l’ingombro per dargli la giusta fetta di mercato.

Ci chiediamo ancora il perché del successo dei modelli ad aeroplano (orizzontali)!

In prima analisi senza ripetermi, il problema è di tipo tecnologico, deciso dalle lobby industriali per gestirne produzioni industriali di grande fattura, per loro di facile controllo. Adesso il discorso è cambiato perché c'è stato intanto un interessamento di massa ai nuovi profili che ne hanno diffuso le conoscenze, ci sono stati i tempi tecnici per affrontare una progettazione low-cost e sono diminuiti gli interessi industriali verso i grossi impianti, visto che i siti tipici d'impiego iniziano a scarseggiare e gli incentivi si sono ridotti.

Per cui si è aperto un nuovo mercato consapevole di poter sfruttare i nuovi sistemi, anche ibridi e cogenerativi in altri sistemi interni ai complessi industriali, ma soprattutto si è presa coscienza della produzione nell'utilizzo di mini sistemi energetici, per l'uso personale viste le bollette esagerate: infatti il surplus legato all’incentivo ci arriva in bolletta sotto forma di costi di sistema!

Altra opportunità è legata alla produzione e micro-vendita on-grid (in rete) sul proprio contatore all'Enel o scambiarlo sul posto per chi ha la possibilità di posizionare questi micro generatori sul proprio tetto e badare al proprio fabbisogno abbattendo i costi e garantendosi un utilizzo determinato dell'energia prodotta.

Scelte d'impresa

Da queste sintetiche già citate motivazioni che sono state fatte le scelte di Impresa, è stato deciso lo studio da farsi per passare alla progettazione di un sistema semi-ibrido da insediare nel mercato di zona tipico, dalle caratteristiche rurali, naturali, tecniche, di ventosità e di particolari rugosità territoriali. Si è immaginato un core business fatto di piccoli imprenditori, anche agricoli con esigenze specifiche, in grado di fare da volano all’iniziativa, alle richieste tipiche di questo tipo di mercato ed essere in primis clienti fruitori dell'energia auto-prodotta;

Inoltre che la vendita del prodotto in eccesso segua una politica di business, rientra nelle peculiarità di chi ha la fortuna e la possibilità di permettersi di sfruttare il territorio specifico, che condiviso possa essere la risultante di una considerevole produzione di energia, da parco produttivo, con intelligente visione di crescita, di azioni finanziabili.

Il prodotto che andremo a inquadrare presenta le caratteristiche necessarie a soddisfare queste prerogative di progetto globale, la scelta fatta è il seguito di anni di studio e di analisi prodotte, necessarie a confezionare il prodotto finito. Prodotto in grado di posizionarsi in un mercato difficilmente sfruttabile dai conosciuti profili ingegnerizzati;

Nella azioni di impresa è necessario guardare aziende che sul mercato hanno già avuto facilità di accesso, che hanno le professionalità per poter mettere a punto un prodotto simile finito, vedere in loro eventuali alternativi posizionamenti di gruppo.

Per cui è necessario essere pronti e capaci di fare filiera già dalla prima fase di start-Up, che figure necessarie, siano in grado di prendere decisioni importanti per lo sviluppo di un prodotto industriale modulare in partnership, upgradabile a stretto giro di corda.

Dalle relazioni tecniche e dal progetto di massima dell'aerogeneratore, saranno evidenti le scelte che solleveranno sicuramente dei quesiti, a cui daremo risposte immediate; è stata necessaria già dalla prima azione di progetto prevedere l'ingegnerizzazione nella creazione del prototipo, la modularità e ridondanza del sistema, per cui risulta più importante la start up e va valutata e sperimentata nel migliore dei modi.

Cenni storici, sviluppo del prototipo, proiezione su scala industriale

Focalizzata l'azione dell'idea di progetto tempo circa (3) tre anni or sono, personalmente ho dovuto prendere confidenza con tutte quelle che erano le priorità di ricerca che indirizzavano verso un mercato ovvio e comunque riconoscibile, nella scelta dei profili da impiegare e le tecnologie ad essi associate, intanto molte norme sono state modificate e ciò che era nell'aria e nella parvenza di utilizzo si era rafforzato, per cui alcune politiche d'impiego sono state totalmente stravolte, altre invece hanno subito un consolidamento.

Mi son trovato costretto ad accettare per ovvie conoscenze nell'ambito elettronico che, alcune tipicità di progettazione hardware, necessarie in accessori destinati a interfacciarsi con l'ente scambiatore di energia(ENEL) non avrebbe avuto senso progettarle, tanto meno pensare di poterle produrre, perché antieconomiche, inoltre mi avrebbero distolto dal focus di progetto; così sono cambiate le politiche di sviluppo dei due accessori chiave di sistema: gli inverter e i generatori sincroni.

In questi due casi specifici, la strategia è stata quella di trovare il meglio tra i prodotti che rispondessero a alle esigenze di progettazione.

Per l'inverter la mia scelta è rimasta in Italia per ovvie ragioni di legislazioni e norme che ci contraddistinguono per articolazioni e specifiche certificazioni.

Invece per il generatore mi sono trovato a dover scegliere un prodotto che avesse delle caratteristiche veramente particolari, che solamente in una parte del mondo hanno affrontato e risolto a costi accessibili, è legato al numero di giri nel momento torcente utile al mio progetto, parametri costruttivi legati all’ingombro, all’asse portante.

Verificata la fattibilità di processo, siamo passati allo sviluppo del progetto di massima, nella scelta dei profili utili, legati alla ventosità del tipico territorio.

Ottenuti dalle community open source i software necessari e gli strumenti di progettazione teorici, ho iniziato a fare le simulazioni per capire i rendimenti e le aspettative per il prodotto in incubazione. Immediatamente è emerso un parametro allarmante legato alle perdite meccaniche: attriti riscontrati tra giunti e interfacce, per cui si partiva con una considerevole perdita energetica già in fase di prima progettazione.

Punti di domanda: come progettare questo dispositivo in grado di connettere i moduli senza aggiungere attriti significativi, come applicare un freno e un controllo di velocità che fosse poco invasivo, che facesse anche da recupero di energia? Trovata la soluzione teorica mi sono dedicato allo sviluppo che dopo un discreto lavoro ha partorito lo stabilizzatore dinamico, con a bordo un controllo elettronico e un recupero di energia, da gestire nel processo di stabilizzazione. Ad esso chiaramente sono stati applicati anche i supporti in grado di fare da sostegno portante, incastonati al meglio nella struttura.

Fissata questa prerogativa e avendo già i dati di sfruttamento del flusso ventoso a disposizione siamo passati alla progettazione teorica dei profili esterni, qui la scelta è caduta su un profilo derivato dal Savonius di tipo Lenz, da noi modificato anche in portanza: (Profilo Prinz) in grado di catturare il fluidodinamico esterno e che avesse già una certa sperimentazione positiva consolidata a certe velocità e tipicità di impiego, inoltre che potesse il profilo accettare la modifica alare che in certe condizioni, generasse una coppia portante, in grado di ottenere un deciso guadagno riconosciuto.

Postate tutte le misure sul database e avendo posizionato i software di lavoro e simulazione siamo passati alla verifica dei fluidi parassiti, alla scelta del profilo portante, come posizionarlo, la forma migliore che dovesse avere, per apprezzare le aspettative di flusso e deflusso dei fluidi da sfruttare, nonché l'impianto costruttivo per la gestione e compromesso con gli altri profili.

Accettati i risultati ottenuti, siamo passati alla scelta dei materiali. Desiderio compromesso dalla leggerezza dei profili per cui la ricerca tra i materiali compositi decide la scelta, tra la fibra di carbonio o di vetro, profili alari in grado di sopportare le sollecitazioni dinamiche di torsione e di stress da lavoro continuo. La struttura portante chiaramente in acciaio con gli assi e i controlli di supporto in grado di modulare l’upgrade di assemblaggio, per lo stabilizzatore invece un mix di fibra di nylon, acciaio e alluminio.

Come ultima fase dello studio industriale, la modularità di sistema, mi spiego:

Avere dei prodotti con caratteristiche meccaniche di accoppiamento, impilabile, tali da sommare come in una batteria di pile, le energie prodotte da ogni singolo modulo. Affinché il prodotto finito potesse avere una crescita produttiva versatile, sarebbe stato anche necessario poter modulare le dimensioni in modo dinamico.

Intanto produrre max. tre(3) modelli di prototipo per tre tipologie di impiego, senza stravolgere la progettazione. Queste scelte produttive avrebbero dato la possibilità di upgrade nel tempo con dispositivi simili aggiungibili in batteria, mantenendo inalterato l’insediamento e la fedeltà al sito.

La scelta interessante che nello sviluppo del singolo progetto, ci sia tutto il seguito previsto, farlo crescere linearmente nello sviluppo e nell'erogazione di energia da piattaforma.

Le potenze limite stimabili su un prodotto al massimo upgrade a tripla piattaforma interconnessa arriverebbero ai 500kw, ma questa ipotesi non ci riguarda per ora. L'obiettivo per il momento si attesta ai 60kw di nominale per sistemi multi colonnina e un minimo da 1 kW nella versione singola da HOME e mono colonnina da distribuzione.

Costi

Quando si affronta il problema dei costi, chiaramente le parole abbassano il loro peso, alzano la guardia rispetto ai numeri che rendono e giustificano in modo ineccepibile l’analisi. In questa relazione voglio focalizzarli come concetto pratico per comprenderne il valore percettivo reale, mi chiedo quanto ci costa ogni giorno non fare le scelte necessarie, rimandare una decisione importante, esempio: come cambiare in modo sostanziale il nostro business, con i riflettori puntati sul problema dei costi energetici.

Ogni giorno che passa, la richiesta di energia aggiunge inesorabilmente una voce di costo al ns business, sia in entrata in termini di mancato guadagno, che in uscita come voce di spesa, per cui investire per valutare in seguito risparmio su questi costi non è di facile comprensione, per come ci hanno educati nella costruzione del business, incentrato sull'efficienza, sèguito del guadagno prodotto, dimenticando quanto costa in realtà quest'efficienza necessaria, senza un buon valore aggiunto: l'efficienza brucia tre volte l'energia di regime, perché richiede continue accelerazioni e scatti da fermo.

Risultato !!! Aumento del lavoro, cattivo riscontro economico, fatture rimandate o non pagate. Così anziché inflazionare la moneta che produrrebbe valore aggiunto per chi lavora e si muove in efficienza, abbiamo inflazionato il lavoro nel suo costo, che invece produce deflazione, pochi investimenti, fallimenti Aziendali.

Immaginiamo adesso, che il ns core business sia la stessa energia: costi proporzionali alle effettive risorse impegnate, sempre produttive perché nell’inutilizzo l’energia destinata alla rivendita sosterrebbe l’azienda.

Per rinfrancare chi alle filosofiche parole preferisce i numeri lo invito a prendere visione del nostro business-plan “VES (Vortex Electric Station)” per analizzare i costi tutti di questo prodotto che sto per presentare. Chiaramente in termini produttivi la faccenda assume un particolare significato perché finanziare una start-Up su un prodotto tecnologico e ingegnerizzarlo richiede un'attenta analisi delle basi di progetto, l’obiettivo da perseguire e la fetta di mercato che si intende aggredire.

Rendimento pratico profili test

Test di verifica dei profili in contrapposizione di fase

Da valutare a seguito della proto tipizzazione schizzo indicativo

Modulo base

Tipologie di impianto

e tipologie di impianto che si intendo sono tre, tipo:

Colonnine Erogazione da ritenersi per uso di servizio o in singola applicazione, comprende solamente una singola pala di dimensioni da valutare sul sito.

In colonnina nella versione ibrida in grado di ospitare anche pannelli solari.

Professionale: da ritenersi utile a chi ha un'impresa e sostiene costi di gestione energetici che rappresentano un peso sostanziale nel suo business per cui il dimensionamento richiede una specificità risposta e la coppia meccanica ottimale, anche eventualmente affiancata a pannelli solari opportunamente dimensionati.

Industriale: da ritenersi necessaria un'azione di studio preventiva che inquadri il sito per l'insediamento del prodotto impilabile con erogazione di potenza tale da garantire un valore di scambio e rivendita dell'energia prodotta.

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