Se le compagnie eoliche si avventurano in acque sempre più profonde, la turbina tradizionale in stile mulino a vento potrebbe non essere la soluzione più adatta. È tempo di guardare le alternative.

Le turbine eoliche tradizionalmente avevano pale che ruotano attorno ad un asse orizzontale, e questo è rimasto standard moderni impianti eolici. Convenzionali turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWTs) è venuto a dominare il mercato dell'energia eolica, sia a terra che in acque poco profonde al largo.

Ma i migliori siti di parchi eolici si trovano spesso in mari profondi, lontani da ostruzioni del vento, rotte di navigazione, nimbi e uccelli migratori. Le strutture di supporto fissate rigidamente al fondo del mare potrebbero non essere economicamente redditizie in profondità oltre 50m, quindi gli ingegneri si rivolgono invece a fondazioni fluttuanti.

Si tratta di condizioni molto diverse in cui generare elettricità dal vento, il che ha significato un nuovo interesse per le configurazioni di turbine eoliche alternative. Come riportiamo in Transazioni filosofiche della Royal Society l'adozione di un asse di rotazione verticale è una tale alternativa. Queste turbine, che affrontano sempre il vento, sono conosciute come turbine eoliche ad asse verticale (VAWT).

Strutture stabili

Tradizionali turbine ad asse orizzontale sono molto sbilanciato, con le lame e le attrezzature che genera energia necessariamente fissato alla sommità della torre. In un grande turbina in mare aperto questa parte può pesare diverse centinaia di tonnellate ed essere intorno 100m sul livello del mare.

In una turbina ad asse verticale i sistemi di generazione possono essere a un'altezza molto più bassa, anche proprio alla base della torre. Ciò significa che i VAWT tendono ad avere un centro di gravità molto più basso.

Sui supporti flottanti questo vantaggio è amplificato - pensa solo a quanto sei stabile quando sei seduto in una canoa piuttosto che stare in piedi su di esso.

Abbassare i generatori li rende anche molto più accessibili e più facili da mantenere o sostituire. Ad esempio, con un VAWT i lavoratori devono solo scalare una breve distanza per accedere ai macchinari invece di salire su una torre 100m in costante movimento.

Size Matters

In generale, le turbine eoliche più grandi producono elettricità più economica. Ciò ha portato a turbine diventando sempre più grande e più potente, soprattutto in mare aperto dove le lame 50m sono ormai di routine e alcuni sono addirittura molto più grande.

Ma questi giganti che ruotano all'orizzonte potrebbero presto raggiungere il loro limite. Se si considera l'asse della pala, quando questa pala è orizzontale, la forza gravitazionale sarà perpendicolare ad essa, mentre quando la pala è verticale (verso l'alto) la forza gravitazionale sarà parallela all'asse e rivolta verso la radice della pala. Infine, quando la lama è di nuovo verticale (verso il basso), la forza gravitazionale sarà parallela all'asse della lama, ma ora punta verso la punta. Alcuni studi presenta questo carico gravitazionale oscillante limita la dimensione delle turbine ad asse orizzontale.

Le turbine ad asse verticale risolvono questo problema perché mentre ruotano sperimentano una forza gravitazionale costante, sempre nella stessa direzione. Senza lo stress di tenere le lame di metallo 80m da un lato, i VAWT possono potenzialmente diventare molto più grandi.

Ricerca turbine verticali ha anche esposti possono essere posizionate vicine l'una all'altra in un impianto eolico. Così, per una data area, più VAWTs possono essere installati, e più elettricità generata che se sono stati utilizzati HAWTs, riducendo così il costo di energia elettrica.

La rivoluzione Axis

Quindi ora sorge la domanda ovvia: perché i VAWT non sono ancora stati usati se sono così vantaggiosi? Il motivo principale è che è ancora una nuova tecnologia. Sebbene i ricercatori abbiano considerato gli assi verticali per decenni, la tecnologia è rimasta indietro a causa principalmente dei limiti del materiale e dei sistemi di supporto. Gli investitori vedono ancora la tecnologia conosciuta come una scommessa sicura e anche guardando il vento profondo sono stati più inclini a sostenere le turbine ad asse orizzontale su piattaforme galleggianti.

Tuttavia entrambi i governi e le aziende lungimiranti stanno investendo nel potenziale di VAWTs per mare profondo eolica offshore. Il progetto Nova, finanziato dal governo britannico, ha dimostrato che l'offshore dell'asse verticale era commercialmente redditizio. Sandia National Laboratories, sostenuto dal dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, e vario UE-backed progetti hanno anche supportato la tecnologia.

Anche aziende industriali come la britannica VertAx Wind o la norvegese Gwind stanno seguendo l'esempio attraverso lo sviluppo di concetti diversi. La società francese Nenuphar sta portando avanti il ​​suo progetto VAWT, con piani (nella foto in alto di questo articolo) per installare il primo parco eolico galleggiante al largo delle coste di Marsiglia.

Con la crescente domanda di energia siamo obbligati a esplorare ogni possibile soluzione. Le turbine eoliche ad asse verticale situate in alto mare hanno un forte potenziale per essere una di queste soluzioni.

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation
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Riguardo agli Autori

Maurizio Collu è un docente, Energy Centre Offshore rinnovabili presso la Cranfield University. Dr Collu è il Direttore del Corso di Advanced Mechanical Engineering Master, e docente di meccanica dei fluidi e carico, CEng, Mrina e MEI. Egli è particolarmente impegnata nella progettazione concettuale e preliminare di strutture di supporto offshore per l'industria delle turbine eoliche galleggianti emergente.

Michael Borg sta attualmente effettuando la ricerca post-dottorato presso il Dipartimento di energia eolica presso l'Università Tecnica della Danimarca sul galleggiante concetti di turbine eoliche ad asse verticale supportati dai DeepWind finanziati dall'UE e progetti InFlow.

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