Batteria eolica: tante piccole turbine, una sola macchina | PENSAI
Quando semplificare una turbina significa ripensare l’intero sistema
E se la turbina eolica fosse tante piccole turbine che lavorano come una sola macchina?
C’è un modo abbastanza naturale di progettare una macchina: prenderne una già esistente e cercare di migliorarla.
C’è però un’altra possibilità.
Chiedersi che cosa succederebbe se, invece di partire dalla macchina, partissimo dalla funzione.
Nel caso dell’eolico la funzione è elementare: il vento possiede energia, una parte di quella energia può essere trasformata in movimento e il movimento può diventare elettricità.
Tutto il resto è tecnologia necessaria per rendere possibile questa trasformazione.
La domanda diventa allora semplice:
quanta tecnologia è realmente necessaria?
Da questa domanda nasce il progetto che chiamerò, provvisoriamente, batteria eolica PENSAI.
Non è una turbina commerciale e non è ancora un prototipo sperimentale. È un progetto sottoposto a calcolo, confronto con la letteratura scientifica e criteri di falsificazione.
Ed è proprio questa la parte importante.
Se i numeri non funzionano, il progetto deve fermarsi.
La prima scelta: togliere il superfluo
La turbina eolica tradizionale ad asse orizzontale è una macchina estremamente raffinata.
Le sue pale sono progettate per lavorare secondo principi aerodinamici complessi. La macchina deve orientarsi rispetto al vento e il generatore deve lavorare in un determinato intervallo di velocità.
Il nostro punto di partenza è diverso.
Utilizziamo un rotore verticale Savonius, formato da due superfici curve.
Il vento spinge il rotore e produce una coppia sull’asse verticale.
Non serve un sistema di imbardata.
Non serve un moltiplicatore di giri.
Non servono pale a passo variabile.
Il primo schema è quindi quasi banale:
vento → rotore → asse → generatore → elettricità.
Ma la semplicità, da sola, non significa efficienza.
Anzi.
La letteratura mostra che il Savonius convenzionale presenta normalmente coefficienti di potenza inferiori rispetto alle turbine eoliche ad asse orizzontale. Una review scientifica colloca i Savonius convenzionali indicativamente nell’intervallo Cp=0,10−0,25C_p=0,10-0,25. Review of Savonius rotor performance
Quindi il progetto parte da una difficoltà reale.
Prima regola: non chiamare rendimento ciò che non lo è
La potenza disponibile nel vento è:
Pvento=12ρAV3P_{vento}=\frac{1}{2}\rho A V^3
È la relazione utilizzata anche dal Dipartimento dell’Energia statunitense. U.S. Department of Energy — Small Wind Guidebook
Prendiamo un primo modulo:
- diametro: 1,50 m
- altezza: 1,50 m
L’area intercettata è:
A=1,50×1,50=2,25 m2A=1,50\times1,50=2,25\,m^2
Assumendo una densità dell’aria di:
ρ=1,225 kg/m3\rho=1,225\,kg/m^3
e un vento di:
V=8 m/sV=8\,m/s
abbiamo:
Pvento=12×1,225×2,25×83P_{vento} = \frac12\times1,225\times2,25\times8^3 Pvento≈706 WP_{vento}\approx706\,W
Ma quei 706 watt non sono la potenza della turbina.
Sono la potenza cinetica contenuta nel flusso d’aria che attraversa la superficie considerata.
La turbina può estrarne soltanto una parte.
Entra in gioco il coefficiente di potenza
Il parametro fondamentale è:
CpC_p
e:
Protore=CpPventoP_{rotore}=C_pP_{vento}
Per il nostro progetto possiamo assumere inizialmente:
Cp=0,23C_p=0,23
ma soltanto come scenario di progetto.
Non è un dato sperimentale del nostro prototipo.
Con questa ipotesi:
Protore=706×0,23P_{rotore}=706\times0,23 Protore≈162 WP_{rotore}\approx162\,W
Questo è il primo numero realistico sul quale lavorare.
Ma il problema non finisce al rotore
Supponiamo, come obiettivo progettuale, che il sistema meccanico-elettrico raggiunga l’85% di rendimento.
Avremmo:
162×0,85≈138 W162\times0,85 \approx138\,W
Non abbiamo ancora considerato le perdite parassite.
Se il sistema assorbisse ipoteticamente 3 watt:
138−3=135 W138-3=135\,W
Quindi, nello scenario scelto:
circa 135 watt netti per modulo a 8 m/s.
Ancora una volta: è un calcolo progettuale, non una misura.
Ed è importante dirlo.
Il problema dei bassi giri
Un Savonius non gira velocemente come una turbina eolica convenzionale.
Il parametro che lega velocità del rotore e velocità del vento è il tip-speed ratio:
λ=ωRV\lambda=\frac{\omega R}{V}
La relazione è utilizzata anche nei modelli di turbine sviluppati da NREL. NREL — Coordinated Control of Wind Turbines
Supponiamo:
λ=0,9\lambda=0,9
Con:
R=0,75 mR=0,75\,m
e:
V=8 m/sV=8\,m/s
otteniamo:
ω=0,9×80,75=9,6 rad/s\omega=\frac{0,9\times8}{0,75}=9,6\,rad/s
e quindi:
RPM=9,6×602π≈92RPM=\frac{9,6\times60}{2\pi} \approx92
Circa 92 giri al minuto.
Questo numero cambia il progetto.
Non vogliamo un generatore che abbia bisogno di migliaia di giri.
Vogliamo un generatore direct-drive, multipolare, a magneti permanenti, progettato per funzionare a basso numero di giri.
La coppia è più importante dei watt dichiarati
Con circa 162 watt meccanici a 92 RPM:
T=PωT=\frac{P}{\omega}
quindi:
T=1629,6≈16,9 NmT=\frac{162}{9,6} \approx16,9\,Nm
Il generatore deve quindi assorbire una coppia dell’ordine di 17 Nm nello scenario considerato.
Questo è uno dei punti più delicati del progetto.
Un generatore troppo resistente può diventare un freno.
La turbina rallenta.
La potenza aerodinamica diminuisce.
E il sistema può entrare in un circolo vizioso:
più carico → meno giri → meno energia → meno generazione.
Per questo il generatore deve essere dimensionato insieme al rotore.
Non dopo.
E qui nasce l’idea della batteria
A questo punto possiamo fare una scelta diversa.
Invece di costruire una grande turbina, costruiamo una cella di generazione.
Ogni cella contiene:
rotore → generatore → raddrizzatore → regolatore.
Poi colleghiamo più celle a un bus DC comune.
CELLA 1 ──┐
CELLA 2 ──┤
CELLA 3 ──┤
CELLA 4 ──┼── BUS DC ── ACCUMULO ── CARICO
CELLA 5 ──┤
CELLA 6 ──┤
... │
CELLA N ──┘
A questo punto non stiamo più progettando una turbina.
Stiamo progettando una macchina composta da molte piccole turbine.
Ma la disposizione diventa fondamentale
Qui c’è forse la parte più interessante dell’intero progetto.
Se mettiamo dieci turbine una dietro l’altra, non possiamo semplicemente moltiplicare per dieci la potenza della singola macchina.
La prima modifica il vento.
La seconda riceve una scia.
La terza riceve una scia ancora diversa.
La disposizione delle unità diventa quindi una parte dell’aerodinamica.
Studi sulla disposizione di turbine Savonius in schiera hanno mostrato che distanza, numero di rotori e direzione del vento possono modificare significativamente la prestazione complessiva. Studio sull’interazione dei Savonius in schiera
Altri studi più recenti sui cluster hanno osservato anche fenomeni di interazione favorevole fra rotori in specifiche configurazioni. Questo non significa che ogni disposizione produca un vantaggio: significa che la disposizione può diventare parte della progettazione aerodinamica. Studio sui cluster Savonius
Ed è qui che il progetto cambia natura.
Non una griglia: una geometria
Una prima configurazione da verificare potrebbe essere una disposizione sfalsata:
VENTO →
○
○ ○
○
○ ○
○
Le distanze non devono essere scelte perché “sembrano giuste”.
Devono essere variabili sperimentali.
Per un rotore di diametro:
D=1,5 mD=1,5\,m
possiamo provare:
S/D=1,5S/D=1,5 S/D=2S/D=2 S/D=2,5S/D=2,5 S/D=3S/D=3
quindi:
2,25 m → 3 m → 3,75 m → 4,5 m.
E non dobbiamo dare per scontato che la distanza maggiore sia migliore.
Una distanza maggiore riduce l’interferenza, ma aumenta la superficie occupata.
Una distanza minore può aumentare la densità energetica, ma anche peggiorare la prestazione delle singole unità.
Il parametro decisivo diventa quindi:
energia prodottasuperficie occupata\boxed{ \frac{\text{energia prodotta}}{\text{superficie occupata}} }
Il primo cluster
Invece di costruire subito dodici turbine, partirei da tre.
A
B C
Tre celle identiche.
Stesso generatore.
Stesso diametro.
Stessa altezza.
E poi tre prove:
A — tre turbine isolate
B — tre turbine allineate
C — tre turbine sfalsate
Se la configurazione C produce più energia per superficie occupata, abbiamo un’indicazione.
Se produce meno, la scartiamo.
Nessuna teoria deve essere protetta dal risultato.
La batteria da dodici celle
Solo dopo aver verificato il cluster possiamo passare alla matrice:
4 cluster × 3 celle = 12 celle.
Area aerodinamica complessiva:
12×2,25=27 m212\times2,25=27\,m^2
Nello scenario di progetto a 8 m/s, se una cella producesse 135 watt netti:
12×135=1620 W12\times135 = 1620\,W
circa:
1,62 kW\boxed{1,62\,kW}
Ma questo valore è soltanto il riferimento ideale della somma.
La potenza reale della batteria sarà:
Pbatteria=∑Pi−Pinterferenza−PelettronicaP_{batteria} = \sum P_i – P_{interferenza} – P_{elettronica}
Ed è proprio PinterferenzaP_{interferenza} che vogliamo capire.
Il vento debole cambia tutto
A 5 m/s:
Pvento≈172 WP_{vento}\approx172\,W
Con Cp=0,23C_p=0,23:
Protore≈39,6 WP_{rotore}\approx39,6\,W
Con l’ipotetico rendimento dell’85%:
Pelettrica≈33,7 WP_{elettrica}\approx33,7\,W
Dopo l’ipotetico consumo parassita di 3 watt:
Pnetta≈30,7 WP_{netta}\approx30,7\,W
A 12 celle:
12×30,7≈368 W12\times30,7 \approx368\,W
Ancora una volta: scenario matematico, non produzione prevista.
Ma il calcolo mostra qualcosa di fondamentale.
Una macchina eolica non deve essere giudicata soltanto sul vento forte.
Deve essere studiata sulla distribuzione reale del vento nel luogo in cui verrà installata.
Il vero obiettivo non sono i kilowatt
Il vero obiettivo è il kWh prodotto nel tempo.
Una turbina che produce molta potenza per poche ore può produrre meno energia annuale di una macchina meno potente ma capace di lavorare più spesso.
Per questo il parametro finale dovrebbe essere:
kWh/anno\boxed{kWh/anno}
e, per la batteria:
kWh/(anno⋅m2)\boxed{kWh/(anno\cdot m^2)}
Questo secondo parametro potrebbe diventare il vero indicatore del progetto.
I cancelli di falsificazione
Il progetto deve prevedere anche la possibilità di fallire.
GATE 1 — energia netta
Pnetta>0P_{netta}>0
Se il sistema consuma più energia di quanta ne produce nelle condizioni operative utili:
STOP.
GATE 2 — aerodinamica
Misurare:
CpC_p
Se il valore rimane troppo basso, la geometria deve essere modificata.
GATE 3 — cluster
Tre celle devono essere confrontate con tre celle indipendenti.
La disposizione deve dimostrare un vantaggio oppure almeno una perdita accettabile.
GATE 4 — batteria
La matrice deve aumentare:
kWhm2\frac{kWh}{m^2}
senza far crescere in modo sproporzionato:
- manutenzione;
- elettronica;
- struttura;
- costi;
- perdite.
Solo allora la batteria diventa interessante.
Cosa stiamo realmente cercando?
Non una turbina miracolosa.
Non energia gratuita.
Non un modo per superare le leggi della fisica.
Al contrario.
Stiamo cercando di sfruttare meglio quelle leggi.
Il vento porta energia.
Il rotore ne intercetta una parte.
Il generatore ne trasforma un’altra parte in elettricità.
Ogni passaggio introduce una perdita.
La progettazione consiste nel fare in modo che le perdite necessarie siano inferiori al beneficio ottenuto.
E soprattutto consiste nel capire se tante macchine semplici, opportunamente disposte, possano funzionare meglio come sistema che come semplice somma di macchine indipendenti.
La batteria eolica PENSAI
Alla fine il concetto può essere rappresentato così:
VENTO
↓
┌───────┴───────┐
│ BATTERIA │
│ EOLICA │
│ │
│ ○ ○ ○ │
│ ○ ○ ○ │
│ ○ ○ ○ │
│ ○ ○ ○ │
└───────┬───────┘
↓
BUS DC
↓
ACCUMULO
↓
INVERTER
↓
CARICO
Ogni cerchio è una macchina autonoma.
Ma la disposizione dei cerchi è parte della macchina.
Questa è forse la conseguenza più interessante del progetto.
La turbina non è più l’unità fondamentale.
L’unità fondamentale diventa la cella.
E la vera macchina diventa la batteria di celle.
Una conclusione provvisoria
Non sappiamo ancora se questa architettura produrrà più energia per metro quadrato di una soluzione eolica convenzionale. Non dobbiamo fingere di saperlo.
Sappiamo però come verificarlo. Ed è questa la differenza tra un’idea e un progetto.
L’idea dice: “Potrebbe funzionare.” Il progetto dice: “Ecco cosa dobbiamo misurare per scoprire se funziona.” La batteria eolica PENSAI nasce da una regola molto semplice: semplificare la singola macchina, ottimizzare l’interazione fra le macchine e misurare il risultato complessivo.
Non aggiungere tecnologia perché esiste. Aggiungerla soltanto quando dimostra di produrre più energia, più affidabilità o meno perdita di quanta complessità introduca. Alla fine potrebbe emergere una turbina migliore. Oppure potrebbe emergere che l’idea non funziona. Entrambi sono risultati utili. Perché il vero obiettivo non è dimostrare che avevamo ragione. È scoprire cosa funziona davvero.
Fonti essenziali
- U.S. Department of Energy — Small Wind Guidebook — potenza disponibile nel vento, CpC_p, area e limite di Betz.
- NREL — Coordinated Control of Wind Turbines — relazione fra tip-speed ratio, velocità del rotore e CpC_p.
- Review of Savonius rotor performance — prestazioni e parametri dei Savonius.
- Studio sull’interazione dei Savonius in schiera — effetto di distanza, numero di turbine e direzione del vento.
- Studio sui cluster Savonius — interazione aerodinamica fra rotori.
- Studio sperimentale su Savonius e piastre terminali — configurazioni sperimentali e CpC_p.
- Studio sui rotori Savonius elicoidali — torsione, overlap e prestazioni.
Disclaimer — Contenuto e immagine realizzati con IA
Questo articolo e l’immagine di accompagnamento sono stati realizzati con il supporto dell’intelligenza artificiale, nell’ambito del framework PENSAI. L’ipotesi descritta è un esperimento concettuale: calcoli, configurazioni e scenari non costituiscono risultati sperimentali e dovranno essere verificati attraverso prototipazione, misurazioni e test reali.
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