Energia Eolica: lo stato dell'arte

Dagli alboridell'umanità si è cercato di sfruttare l'energia eolica con i mulini a vento e dal 1930 in poi i tecnici e gli scienziati di tutto il mondo si sono cimentati nella ricerca di sistemi eolici più performanti (altrimenti designati come WEC = wind energy collector) ed in allegato si accludono gli esempi più gettonati fin d'ora.

L'energia eolica, raccolta dai moderni profili alari nei WEC_s è funzione eminentemente di due fattori:

• la massa di aria che passa attraverso il Rotore e la sua velocità, secondo la relazione:
• P = β ½ ρ A v³

dove la potenza, in Watt, è funzione di ρ = densità dell'aria in kg/m³

• A = area spazzata dal Rotore in m²
• v = velocità della corrente di aria attraverso il rotore in m/sec
• β = coefficiente di Betz, un teorico che definì la massima potenza estraibile da un "Campo Eolico". Praticamente questo coefficiente non supera β ≤ 0,4 (β teorico = 0,593).

La società Grumman Aerospace Corporation ha svolto ricerche per 15 anni su WEC a vortice, ed il capo ricercatore Dr. James Yen, al termine delle sue ricerche di laboratorio, predisse nel 1975 la possibilità teorica di ottenere in un vortice controllato la velocità dell'aria pari anche a dieci volte la velocità di ingresso del Campo Eolico, con vortici di grande diametro in torri alte tre volte il proprio diametro.

La Grumman interruppe le ricerche per le difficoltà intervenute sull'effettivo controllo del vortice.

Il sistema da noi brevettato si basa sull'azione sinergica di tre dei quattro moti elementari dell'aerodinamica: rettilineo, vortice, sorgente/pozzo e doppietto.

I primi tre sono sfruttati dal nostro sistema: moto rettilineo, vortice e sorgente/pozzo.

Matematicamente i tre moti sono rappresentabili da equazioni differenziali lineari, (equazioni di Laplace), in determinate coordinate, cartesiane, cilindriche o sferiche. Rappresentando i tre moti con le stesse coordinate, la soluzione è anch'essa un'equazione differenziale lineare e ciò dà una sicurezza per la ricerca sperimentale.

Il moto risultante è quindi ottenibile e sfruttabile da un apposito sistema eolico.

Allo Stato dell'Arte, con i pali ed il Rotore fissato all'estremità, si sfrutta un solo moto: quello rettilineo, ed ha bisogno di una grande area (Ø Rotore) con la velocità naturale del campo eolico ≥(10-12 m/sec).

Il sistema vortice Tornado proposto da altri, sfrutta il moto vortice, con un'area limitata ed una velocità alta (anche 30 m/sec). Le sollecitazioni risultanti sono troppo elevate, con massa di aria necessariamente limitata, ciò che conduce a piccole potenze raccolte. Il sistema è stato abbandonato.

Il nostro sistema sfrutta sinergicamente i due moti predetti, ed in più il moto di "sorgente/pozzo", che è un flusso indotto dalla differenza di potenziale barico esistente fra l'atmosfera (normalmente circa 101.300 Pascal) ed una presa di corrente di aria con velocità v.

Come è noto, per Bernuilli, in una corrente di aria di velocità v, prodotta da una differenza di potenziale barico, è Patm = P₁ + ½ ρ v² dove v è la velocità della corrente, ed il termine  ½ ρ v² è detto pressione dinamica, e P₁ è la differenza fra Patm - ½ ρ v² = P₁ = quota parte della pressione statica. P₁ è quindi il potenziale basso. La differenza di potenziale fra gli estremi di una conduttura di corrente è quindi Patm - P₁  = Δp.

La velocità dell'aria nella conduttura è v = √ (2 Δp) / ρ

Inoltre, un filamento vorticoso dà luogo, secondo la legge Biot-Savart, ad un campo potenziale la cui formula è √ = Ґ/4π  x  dl x r/r³ ,dove Ґ è il valore della "circolazione". Questa formula è simile a quella della generazione della corrente elettrica, dando a Ґ il significato di "permeabilità magnetica" e a "dl" (che è la "lunghezza del conduttore") il significato di "filamento vorticoso", e così via.

Con il nostro sistema noi otteniamo due flussi (A x v) dinamici dalle due prese di aria dal "Campo Eolico" esterno, rivolte contro la direzione del vento, dove A = l'area in m² della presa, v è la velocità del campo eolico.

Uno dei due sopradetti flussi entra tangenzialmente alla periferia del "Silo" e stabilisce un moto vorticoso attorno ad un condotto centrale (condotto di sorgente), condotto che è in collegamento con l'atmosfera esterna, con una presa non rivolta al vento, dove quindi la pressione è quella atmosferica.

Il secondo flusso dinamico, dopo un opportuno convergente, si immette in un condotto circolare interno al condotto di "sorgente" prima descritto, con bocca di arrivo nel volume comune alle altre correnti al di sotto del rotore.

Si avranno quindi quattro aree di presa, due dinamiche e due di sorgente, ciò che aumenta il flusso totale convogliato al Rotore.

Nel "Modello" sperimentale, su cui sono state eseguite le misurazioni di velocità in entrata nelle due prese dinamiche e la prova di velocità delle prese di "sorgente", il tutto controllato dall'ente di Certificazione Germanico TÜV Thuringen con l'assistenza di due docenti universitari della Università Politecnica di Ilmenau Bassa Sassonia, ha certificato che attraverso il vano rotore è passato in uscita un volume totale di aria di 87,4 m³/sec, le prese dinamiche del Campo Eolico hanno fornito in entrata 54 m³/sec alla velocità del Campo Esterno di 4,5 m/sec.

Le prese "sorgente" hanno fornito il volume di circa 33 m³/sec (a velocità quasi "0" alla presa statica esterna di pressione atmosferica) e la macchina eolica ha accelerato questo flusso, utilizzando la differenza di potenziale barico, fino alla velocità di uscita di 23 m/sec.

Applicando la formula di potenza citata all'inizio si ha:

• P_silo = β ½ ρ Ar v³ = 0,4 x 0,61 x 3,8 x 23³ = 11.281 Watt.

ottenuti con un vento esterno di 4,5 m/sec.

Una macchina eolica allo Stato dell'Arte, con palo alto 30 mt.(!) al mozzo del rotore, quest'ultimo di Ø 20 mt.(!), darebbe nelle stesse condizioni di vento:

• P_silo = β ½ ρ Ar v³ = 0,4 x 0,61 x (15²  x 3,14) x 4,5³ = 6.981,5 Watt.

Riassumendo: le prove certificate dall'ente certificatore TÜV hanno dimostrato che il prototipo di Silo, alto 7,5 mt ingombro laterale Ø 3,2, rotore Ø 2,2 mt, 2 prese di aria dinamica di 6 m², peso totale macchina 3.900 kg, dà una resa di 11.281 Watt con vento di 4,5 m/sec.

Con lo steso vento 4,5 m/sec una macchina eolica allo Stato dell'Arte delle dimensioni: altezza del palo al mozzo Rotore di mt. 30 diametro, rotore 20 mt. peso totale macchina circa 28.000 kg., dà una resa di 6.981 Watt.

Ritornando pertanto al ns. caso, abbiamo realizzato una macchina eolica di grandi prestazioni, di facile costruzione, con rotore di diametro ridotto: diametro di 2,2 mt. per una macchina da 200 Kw. , rotore di 6 mt. per una macchina da 1.000 Kw., di altezza e impatto ambientale ridottissimo (l' altezza è di circa un quinto dello stato dell' arte), con ventosità ridotta da 4 - 5 mt./sec fino a 7 - 8 mt./sec., ciò che è circa il 50 % rispetto a quanto necessario allo stato dell' arte.

La produzione in Kw./h. è quindi molto più alta, infatti una ventosità di 4 - 5 mt./sec. persiste nell' anno per 6.000 h. circa, mentre la ventosità di 10 - 12 mt./sec. richiesta dallo stato dell' arte persiste per 1.500 - 2.000 h. anno.

La produzione, e in definitiva la redditività della nostra macchina risulta da 2 a 3 volte maggiore delle macchine allo stato dell' arte.

In allegato riportiamo un' esempio pratico immediatamente praticabile: "Investimento di 3 Milioni di Euro per Produzione di Energia Elettrica Sostenuta dalla Legge Italiana In Conto Energia".

Come risulta dai conteggi pratici l' investimento di 3 milioni (Totalmente finanziabili dalle Banche), risulta ammortizzato in 18 mesi circa.

Questo esempio vale solo in Italia, all' Estero ci sono altri benefici, in quanto l' Energia Verde è sovvenzionata da quasi tutte le nazioni del Mondo.

In allegato forniamo altresì asseverazioni che confermano le informazioni sopra riportate fatte dal Prof. Ing. V. Vullo della Università Roma 2, nonché la Dichiarazione della società Tedesca TÜV, Ente di Certificazione.

Infine, per pratica impressione visiva delle grandi differenze di impatto ambientale fra le ns. macchine eoliche, e lo stato dell' arte attuale (ossia Rotore su Palo) accludiamo due disegni in scala.

Accludiamo anche tre foto relative al prototipo costruito.

La nostra macchina eolica è basata su sani, comprovati principi della fisica e, fattore essenziale, sull'effetto indotto del moto "Sorgente" e dall'effetto derivato dalla legge Biot-Savart, che è stato innovativamente introdotto dalla Sinersys Motor Union dpt.  in una macchina eolica.