Reinventare le turbine eoliche

Vortex Bladeless è un sistema innovativo per sfruttare l’energia del vento, alternativo alle classiche turbine eoliche; privo di pale, rappresenta una svolta nella generazione di energia eolica

Vortex Bladeless è una startup tecnologica che sta sviluppando un aerogeneratore ecologico che non ha bisogno di pale. Si tratta di una nuova tecnologia per l’energia eolica appositamente progettata per la generazione in loco in aree residenziali, in grado di funzionare in rete, fuori rete o insieme a pannelli solari regolari o altri generatori.

La turbina eolica a vortice non è in realtà una turbina, poiché non ruota. Si basa sul fenomeno della risonanza aeroelastica, in questo modo il dispositivo oscilla con un movimento silenzioso e non aggressivo che lo rende perfetto per essere posizionato ovunque senza disturbare la fauna selvatica.

L’idea è nata all’improvviso nel 2012 a David Yáñez dopo aver visto un video del ponte di Tacoma Narrow che oscillava nel vento; che ha rilasciato la seguente dichiarazione: “La nostra storia di avvio è iniziata da allora e per anni abbiamo lavorato molto duramente. Non è stato facile scoprire i migliori materiali e il modo migliore per cucinare questa ricetta speciale; una tecnologia nuova di zecca è sempre difficile da sviluppare, anche se siamo molto vicini al raggiungimento del nostro obiettivo e sogno”.

I parchi eolici terrestri e i nuovi progetti di turbine stanno ottenendo ottimi risultati. Sebbene gli studi sono concentrati verso il mercato degli utenti finali / residenziali, gli aerogeneratori Vortex potrebbero essere trattati come se fossero pannelli solari riguardanti l’architettura su larga scala, la pianificazione urbana, l’infrastruttura dei servizi.

La start-up ha lavorato incessantemente per ottimizzare i dettagli finali del sistema di conversione e regolazione dell’energia e per certificare e omologare l’aerogeneratore in modo che possa essere venduto in tutto il mondo; tuttavia, prima di raggiungere veramente il mercato, è necessario industrializzare il processo di produzione.

Vortex Bladeless è un generatore eolico risonante a vibrazione indotta da vortice. Sfrutta l’energia eolica proveniente da un fenomeno di vorticità chiamato Vortex Shedding. Fondamentalmente, la tecnologia senza lama consiste in un cilindro fissato verticalmente con un’asta elastica. Il cilindro oscilla su un intervallo di vento, che quindi genera elettricità attraverso un sistema di alternatore. In altre parole, è una turbina eolica che in realtà non è una turbina.

Nella meccanica dei fluidi, mentre il vento passa attraverso un corpo smussato, il flusso viene modificato e genera un modello ciclico di vortici. Una volta che la frequenza di queste forze è abbastanza vicina alla frequenza strutturale del corpo, il corpo inizia a oscillare ed entra in risonanza con il vento. Questo è anche noto come Vortex Induced Vibration (VIV).

Questo fenomeno VIV è comunemente evitato nell’ingegneria strutturale, nell’aeronautica e nell’architettura. Al contrario, le turbine Vortex massimizzano queste instabilità aerodinamiche e turbolenze del vento, catturando questa energia.

La geometria del montante di Vortex è appositamente progettata per ottenere le massime prestazioni alle velocità medie del vento osservate. È in grado di adattarsi molto rapidamente ai cambiamenti di direzione del vento e ai flussi d’aria turbolenti comunemente osservati negli ambienti urbani.

Il disturbo della corrente eolica a valle è il motivo per cui le turbine regolari devono essere installate lontano l’una dall’altra. Ciò non influisce sulle turbine eoliche senza lama, viene evitata qualsiasi limitazione associata all’ effetto scia. Inoltre, ci si aspetta che i dispositivi Vortex funzionino meglio insieme, fornendo un feedback reciproco se hanno lo spazio libero adeguato attorno a loro, che è stimato a metà dell’altezza totale del dispositivo. Per le normali turbine eoliche, questo spazio libero è di solito cinque volte l’altezza totale del dispositivo.

Il cilindro esterno è progettato per essere in gran parte rigido e ha la capacità di vibrare, rimanendo ancorato all’asta inferiore. La parte superiore del cilindro è libera e ha l’ampiezza massima dell’oscillazione. La struttura è costruita con resine rinforzate con carbonio e / o fibra di vetro, materiali utilizzati nelle tradizionali pale eoliche.

La parte superiore dell’asta sostiene l’albero e il fondo è saldamente ancorato al terreno. È realizzato in polimero rinforzato con fibra di carbonio, che offre un’ottima resistenza alla fatica e una minima perdita di energia durante l’oscillazione.

Naturalmente, la progettazione di tale turbina eolica è abbastanza diversa da una turbina tradizionale; invece della solita torre, navicella e lame, il dispositivo ha solo un albero fatto di materiali leggeri su una base. Ciò riduce l’utilizzo di materie prime e la necessità di una fondazione più profonda.

Sintonizzazione di frequenza

La frequenza dello spargimento del vortice è proporzionale alla velocità del flusso del vento, tuttavia ogni struttura ha la propria frequenza di vibrazione naturale. Per abbinare le frequenze del vento alla frequenza naturale di un dispositivo, è necessario modificare la massa corporea (maggiore è la massa, minore è la frequenza naturale) e la rigidità (maggiore è la rigidità, frequenze più alte), tra gli altri parametri. Pertanto, occorrerebbero meccanismi complessi per variare la frequenza naturale di quel dispositivo.

Per evitare ciò, il design Vortex utilizza invece un sistema di confinamento magnetico con magneti permanenti che aumentano la rigidità apparente del sistema in base al loro grado di flessione. Il grado di flessione aumenta man mano che il vento si intensifica, questo viene chiamato ” sistema di sintonia “.

Il sistema di auto-sincronizzazione brevettato di Vortex consente di catturare una gamma più ampia di velocità del vento senza sforzo, con un punto di taglio di circa 3 m / s (velocità iniziale). Può variare automaticamente la rigidità e “sincronizzarsi” con la velocità del vento in arrivo, al fine di rimanere in risonanza senza alcuna interferenza meccanica o manuale. In questo modo aumenta la portata di blocco dell’aerogeneratore.

Attualmente, Vortex genera elettricità attraverso un sistema di alternatori, costituito da bobine e magneti, adattato alla dinamica del vortice, senza ingranaggi, alberi o parti rotanti. Il generatore Vortex è attualmente considerato una “piccola turbina eolica”.

Gli alternatori sono una tecnologia ben nota, sebbene il modo in cui Vortex la stia utilizzando sia innovativo e brevettato. Questo design consente di ridurre la manutenzione ed elimina la necessità di ingrassaggio.

Obiettivi del progetto

L’obiettivo è di aumentare, testare e certificare un prototipo fino a 2,75 metri in grado di fornire 100W di potenza. Gli obiettivi del progetto sono stati definiti da tre punti di vista:

– Struttura e geometria.

– Conversione dell’energia.

– Alternatore.

L’attuale tecnologia delle turbine eoliche deve supportare livelli di carico molto diversi a velocità del vento variabili, il che comporta requisiti meccanici elevati per la trasmissione di componenti quali ingranaggi, cuscinetti, boccole o freni. Le molteplici parti mobili sono costantemente soggette ad usura, il che comporta elevati costi di manutenzione.

Naturalmente, questa turbina eolica non è immune alla fatica e alle forze di stress. La fatica è definita dall’indebolimento di un materiale causato da carichi o forze applicati ripetutamente. L’asta della turbina Vortex subisce una flessione continua e potrebbe eventualmente verificarsi un guasto materiale. I primi prodotti sono stati progettati prestando particolare attenzione a questo problema.

L’asta in fibra di carbonio è stata progettata per funzionare con un’ampiezza di oscillazione massima di 2,7º. Ciò implica una deformazione del materiale molto bassa. Le analisi computazionali e matematiche effettuate in relazione al componente più colpito da questo fenomeno di fatica ci fanno pensare che l’aerogeneratore Vortex abbia una durata di vita enorme.

Grazie alla leggerezza e alla vicinanza del baricentro al suolo, i requisiti di ancoraggio o fondazione sono stati ridotti in modo significativo rispetto alle turbine normali, facilitando l’installazione.