Energia dal vento

Obiettivi:

1.      Conoscere l’energia del vento

2.      Saper applicare la scala Beaufort

3.      Riconoscere i parametri usati nel calcolo della potenza di un areomotore e le loro caratteristiche

4.      Distinguere le differenze sostanziali tra i gruppi di aeromotori

Contenuti:

I venti sulla terra, la scala Beaufort, conoscenza e lettura dei dati del vento.

L’uso del vento come energia motrice nella storia, oggi, nei paesi del mondo.

La potenza fornita da una macchina eolica ed i suoi parametri. Importanza della velocità del vento sulla produzione. Limite di Betz, concetto di solidità; la forma della pala; portanza e  stallo di un’ala e dell’elica.

I due gruppi di aeromotori: ad asse orizzontale, ad asse verticale: loro sostanziali differenze, come si orientano al vento.

Differenze tra un  monopala ed un multipala: usi preminenti.

Metodo

Tra le forme energetiche il vento è la più strana, volubile, erratica. Esso deriva direttamente dal sole per il diverso irraggiamento della crosta terrestre in base alla giornata, alle stagioni e alle latitudini. Enormi masse d’aria invisibili, ma sensibili, fanno sentire i loro effetti soprattutto in occasioni di temporali e uragani.

L’uomo l’ha utilizzata fin dal lontano  passato, dai più rudimentali mezzi di trasporto a vela, fino ai più sofisticati velieri recenti che montano ampie superfici metalliche estensibili idraulicamente, che automaticamente si orientano al vento, per permettere un notevole risparmio sul combustibile delle navi attuali (progetti giapponesi).

I primi mulini a vento sono persiani e pare che le tracce possano risalire fino ad il 200 a.C. Si suppone che queste macchine possano essere del tutto simili a quelle oggi usate in Siria per la macinazione dei semi: sono ad asse verticale e a schermatura. Successivi ritrovamenti nel medio oriente risalgono al 640 d. C. e nel 12° secolo gli aeromotori vengono introdotti in Europa per vari usi: macinare, pompare, segare, martellare.

Durante l’ultimo periodo bellico, in Italia si trovano nel Pontino, come aeropompe abbinate al pezzo di terreno e all’abitazione che il governo fascista consegnava alle famiglie coltivatrici.

Oggi la crisi energetica ha messo in evidenza lo sfruttamento del vento per produrre elettricità sia per utenze isolate, per la produzione di elettricità in rete.

I vantaggi dello sfruttamento del vento possono essere così riassunti:

Ø      Fonte gratuita e non esauribile

Ø      Energia pregiata (meccanica)

Ø      Trasformazione di energia in semplici impianti, affidabili e non inquinanti

Svantaggi:

Ø      intensità energetica limitata e poco costante, che necessita di impianti piuttosto grandi

Ø      Variazioni nell’erogazione energetica che dipende dalla variabilità della velocità del vento

Ø      Difficoltà di ottenere velocità elevate più adatte alla produzione di elettricità.

Cenni teorici sull’energia del vento

Per poter progettare e realizzare una macchina a vento è necessario prima fare alcune considerazioni. A. Betz fu uno scienziato che si dedicò a questo, nel 1927; scoprì la teoria che oggi da il nome ad un coefficiente, chiamato limite di Betz che entra nel calcolo della potenza ricavabile da un qualsiasi aeromotore. In sostanza egli stabilì che da una qualsiasi macchina a vento non è possibile estrarre più dello 0,593 della potenza fornita dalla vena fluida del vento che colpisce le pale; questo perché per estrarla in totale noi dovremmo avere delle macchine la cui prima parte della superficie alare è in movimento mentre la parte finale è ferma. Ciò è impossibile ottenerlo; è quello che definisco un assurdo tecnologico. Perciò in pratica noi potremo ricavare tramite un qualsiasi areomotore non più del 60 % circa, dell’energia del vento (generalmente questo valore lo si tiene ancora inferiore). A questo punto potremo ricavare la potenza teorica della nostra macchina a vento:   

P = ½ * r * s * v ³ * 0,593 

dove

P =  è la potenza fornita dalle pale in  kw

½ = dipende  dalla  fisica cinematica

r = costante legata alla densità dell’aria

s = area sottesa dalle pale in movimento

v  = velocità del vento in m/sec

0,593 = limite di Betz

Come si può notare la potenza dipende in particolare dalla velocità al cubo, del vento; si intuisce così il perché, dopo un fortunale sono numerosi i cartelloni pubblicitari stradali abbattuti, o anche perché quelli grandi autostradali, sono realizzati con una serie di finestre apribili al soffio del vento, in modo da diminuirne la superficie esposta.

Per questo un altro fattore da tener presente è la cosiddetta solidità di un aeromotore, che è data dal rapporto tra la superficie delle pale e l’area frontale di rotazione delle stesse; per intenderci un multipala (tipo Far West) ha una solidità più elevata (e rischia più facilmente di essere abbattuto dove i venti hanno velocità alte) rispetto ad un monopala o bipala che hanno una solidità minore.

Anche la configurazione ed il tipo di aeromotore con i relativi rendimenti, entrano in gioco per valutare il tipo di progetto che voglio realizzare; ci sono curve disegnate in appositi grafici che aiutano la scelta progettuale.

La forma della sezione delle pale (di solito di tipo aeronautico soprattutto nelle macchine veloci), ci permette di valutare l’angolo di inclinazione che dobbiamo dare loro per ottenere la potenza prevista e la necessaria regolazione in base ai cambiamenti di velocità.

Partendo dall’esempio della mano tesa al di fuori del finestrino dell’auto in corsa, qui si possono introdurre il concetto di portanza e di stallo.  

Gli aeromotori

Essi si dividono in due grandi gruppi, in base alla disposizione dell’asse di rotazione dell’eliche: ad asse orizzontale e ad asse verticale.

I primi hanno bisogno di un timone di direzione per mettersi di fronte al vento; nelle macchine moderne il timone è poco visibile perché possono essere servo assistiti , muniti di un  sistema idraulico che sposta la torretta, dove è posizionato il sistema di trasmissione, frenatura e generazione. In alcuni casi (quelli sottovento), sono le pale stesse a funzionare da timone di direzione.

Il monopala viene equilibrato da un contrappeso.

La differenza tra aeromotori con poche e più pale, pur avendo la stessa superficie sottesa, sta nel fatto che i primi sono più veloci ed hanno una coppia di rotazione più bassa, sono più adatti alla produzione di elettricità, mentre i secondi sono più lenti, hanno una coppia più elevata, sono più adatti ad applicazioni di tipo meccanico (pompa, sega, mulino).

I secondi non hanno bisogno del timone di direzione, funzionano da qualsiasi parte soffia il vento. Ne esistono di strutturalmente semplici come i Savonius (sostanzialmente si tratta di un bidone tagliato verticalmente le cui due metà sono affiancate in modo da essere esposte al vento), più sofisticati come i Darrieus con pale lunghe sottili (tipo frusta sbattiuova) a sezione aerodinamica, che hanno però bisogno di un sistema di avviamento.

Ovviamente tutti gli  aeromotori devono essere installati in zone esposte ai venti senza ostacoli nei dintorni, evitando così fenomeni di turbolenze anomale, dopo aver valutato, ai fini della giusta installazione, la situazione anemologica del luogo per almeno due anni.

Qualche proposta operativa

Si possono realizzare girandole in lamierino, aventi lo stesso cerchio circoscritto, da una (con un piccolo contrappeso) a otto pale ed esporle tutte, alla medesima distanza, allo stesso ventilatore funzionante, per verificare la variazione di velocità di rotazione.

Con coppette di plastica, un motorino elettrico di un giocattolo (fatto girare diventa un piccolo generatore), un milliamperometro, è possibile realizzare un anemometro elettrico, per conoscere la velocità del vento a scuola. Con una serie di contatti elettrici distribuiti su un tubo di plastica (uno per ogni punto cardinale), un contatto strisciante collegato ad una banderuola, è possibile realizzare un display a led luminosi che ci indicano la direzione del vento. Ovviamente il cavo di trasporto dei segnali dovrà essere di tipo citofonico, multiplo.

Utilizzando una ruota anteriore di una vecchia bicicletta debitamente fissata, lasciando la possibilità di ruotare sul supporto del manubrio, con i raggi coperti da nastro adesivo a due a due, il timone fissato al posto della vite del freno, si può realizzare, utilizzando il vecchio alternatore della bicicletta inserito, un piccolo generatore eolico.

Non esistendo una vera e propria didattica su questi argomenti, ho inserito nella bibliografia, diversi manuali utili anche per proposte operative e di ricerca sull’energia eolica.

Verifiche

Le verifiche riguarderanno sia la parte teorica che quella applicativa. Per la prima si potranno formulare delle domande relative ai vari argomenti trattati, ai collegamenti effettuati con le discipline coinvolte, alle finalità delle esperienze operative.

Per l’aspetto più pratico, si valuteranno la conversione delle unità di misura, la corretta realizzazione delle esperienze proposte, le verifiche di funzionalità attuate sul modello.

Inoltre si potranno valutare le relazione delle visite all’osservatorio meteorologico, alla fabbrica o al sito di generatori eolici, la capacità di lettura sul computer dei dati registrati dalla centrale meteorologica più vicina alla scuola.

Discipline coinvolte

Scienze. Le forze e la loro risultante. Nozioni di portanza. Concetto di Coppia. Conversione delle unità di misura. Meteorologia, lettura dei dati dell’osservatorio. La scala Beaufort.

Geografia. Formazione e circolazione dei venti sulla terra. Circolazione dei venti dovuta alle fasce di alta e media pressione che si creano a latitudini diverse. Localizzazione dei siti  eolici italiani. Le nazioni che utilizzano la forza del vento.

Lingua straniera Lettere di richiesta e relative operazioni di pagamento del libro in inglese “Windpums”. Qualche interpretazione. Stesse operazioni per il libro francese “Energie eolienne”. Richiesta di materiale divulgativo, alla ditta francese “Aerowatt” che produce moduli eolici (anche tramite E-Mail).

Bibliografia

Paolo Cella “L’energia eolica” ed. Longanesi Milano 1979

Dermot Mc Guigan “Energia del Vento a piccola scala” ed. Muzzio Padova 1979

Paolo Bullo “Energia dal vento”  ed. Delfino Milano 1981

Quaderni del COSV “La progettazione del mulino a vento” ed. Clup Milano 1982

Tecnologie d’avanguardia “Energia dal vento” ed. Finmeccanica Roma 1984

D. Le Gourieres “Energia Eolica” ed. Masson Milano 1985

Quaderni dell’energia “Come nasce l’energia eolica” ed. Enel  Roma 1989

“Energia dal Vento. Glossario essenziale” ed. Ises Roma 1993

Castelnuovo e altri “Vento per l’energia” ed. Ises e Le Monnier  Roma 1995

AA. VV. “Windpumps” Published by IT Power and the Stckholm Environment Institute, London 1993

Tutti gli schemi sono tratti  dal Quaderno dell’energia n°17 “Come nasce l’energia eolica” dell’Enel

Sant’Angelo in Vado 27.10.00

Prof. Giuseppe Dini