Il vento, gli aquiloni, la mia energia

Basso costo, basso impatto ambientale, fattibilità: un nuovo progetto “leggero” per l’energia dal vento

Manfred Franetzki - 09/11/2011

L’ormai prevedibile esaurimento dei giacimenti di petrolio, gas naturale, metano, carbone e uranio costringe gli esseri umani a sfruttare fonti alternative di energia, possibilmente rinnovabili. Tra queste, si pensa in particolare alla geotermia e allo sfruttamento diretto della costante radiazione del sole mediante fornelli solari, pannelli solari, centrali a specchi parabolici e cellule fotovoltaiche, oppure all’utilizzo indiretto di risorse solari come l’energia idrica, le onde e le maree, la corrente termica ascendente, il vento e così via.

I “grandi” progetti in fase di studio
Il metodo più diffuso per sfruttare il vento al fine di produrre energia è costituito dalle pale eoliche, eliche orientabili montate su torri e collegate a un generatore di corrente. La letteratura scientifica propone inoltre varie alternative, tra cui quella di posizionare un oggetto volante legato a un cavo lungo parecchi chilometri nella troposfera superiore (la fascia di atmosfera a diretto contatto con la superficie terrestre che si estende per circa 15 chilometri), laddove soffiano venti costanti e molto forti, i jet stream. In questo oggetto volante, simile a un aquilone, viene installata una turbina o dei giranti eolici che producono energia, la quale a sua volta viene convogliata a terra mediante un cavo ad alta tensione. Un gruppo di ricercatori italiani intende far ruotare una giostra collegata a un generatore a terra mediante aquiloni pilotati che volano ad alta quota. L’attuazione di concetti di questo tipo risulta alquanto improbabile per vari motivi: il peso della fune o del cavo, la messa in pericolo del traffico aereo, i costi elevati. Un gruppo di ricercatori olandesi progetta di produrre energia con una serie di aquiloni collegati con delle funi. Altre proposte sono contenute nella letteratura riguardante i brevetti, tuttavia nessuna di queste è mai stata realizzata a livello pratico. D’altro canto continua ad aumentare l’installazione di pale eoliche. Poiché con la distanza dal suolo il vento si intensifica e diventa costante, si tende a costruire torri sempre più alte, il che accresce i momenti ribaltanti dovuti alla pressione del vento, aumenta i costi degli impianti e li rende visibili da molto lontano. Oppure le si collocano in mezzo al mare con un notevole dispendio di denaro.
Il problema centrale di tutte le fonti di energia alternativa praticabile risiede nei costi elevati. A seconda dei vari approcci, i calcoli forniscono risultati differenti, ma ciò non toglie che il costo della produzione di energia eolica risulti da 3 a 4 volte maggiore rispetto per esempio al carbone, una risorsa energetica tra le più economiche. Inoltre occorre tener presente la spesa considerevole inerente alla ristrutturazione delle reti di distribuzione, poiché l’energia non viene prodotta laddove ne esiste il fabbisogno e la sua portata non è calcolabile in anticipo.
Attualmente gli sforzi della ricerca si concentrano sullo sviluppo di accumulatori di energia a costi sostenibili e sulla produzione meno costosa di energia alternativa. Sarebbe opportuno anche decentralizzare la produzione, possibilmente in prossimità dei consumatori.

Piccoli aquiloni per un’energia alla portata di tutti
Anche il nostro impianto sfrutta l’energia del vento, quindi rappresenta un’alternativa alle pale eoliche.
L’idea nasce da alcuni viaggi dell’autore in paesi come Africa, Sudamerica e Indonesia in cui la corrente elettrica spesso non è accessibile a tutti. In Madagascar, grazie ad aiuti europei, si cerca di produrre e distribuire fornelli solari (specchi parabolici che concentrano la luce solare sul recipiente usato per cucinare), ma questo sistema, per diversi motivi, non riscuote molto successo: la gente mangia spesso dopo il tramonto; il sole può non raggiungere direttamente l’abitazione; l’apparecchiatura è spesso troppo cara (il reddito medio di una famiglia malgascia ammonta a 20 € mensili).
Per questo abbiamo cercato soluzioni praticabili e finanziabili in paesi come questo.
La nostra attuale centrale eolica è stata realizzata dopo aver sviluppato e testato vari modelli intermedi. Il principio fondamentale è essenzialmente il seguente: un aquilone appeso a uno spago avvolto intorno a una bobina. Il vento trasporta l’aquilone, lo spago si srotola e fa ruotare la bobina, la quale è collegata a un generatore o a un’altra macchina in cui l’energia di rotazione viene convertita in energia elettrica (per l’azionamento diretto di un mulino o di una pompa ad acqua) o in energia termica (mediante attrito).
Quando l’aquilone ha srotolato completamente lo spago, le sue caratteristiche di volo vengono modificate in modo tale per cui la sua resistenza al vento decresce e lo spago si arrotola nuovamente mediante motore o molla – precaricata durante la salita dell’aquilone – con minore impiego di energia. Nei prototipi utilizzati (figure 1 e 2) la riduzione della resistenza al vento avviene strattonando lo spago: la frizione magnetica, posta all’estremità superiore dello spago, interviene allentando una o più corde. L’aquilone non oppone più resistenza al vento. Contemporaneamente a terra parte il motore di recupero (fig. 3), per cui viene mantenuta la situazione di minima resistenza al vento. Quando lo spago si è avvolto per una lunghezza prestabilita, il motore si arresta, si innesca nuovamente la frizione magnetica, l’aquilone riprende la posizione di maggiore portanza e torna a salire: un processo periodico autonomo.

I vantaggi: basso impatto ambientale e autocostruzione
Rispetto alle pale eoliche questo concetto offre i seguenti vantaggi:
•    miglior sfruttamento delle condizioni del vento, vale a dire, funzionamento negli strati più elevati dell’atmosfera caratterizzati da vento di maggiore intensità e da una minore presenza di turbolenze, senza per questo dover aumentare i costi, dato che uno spago più lungo non rappresenta una spesa eccessiva. Dal punto di vista della meccanica dei fluidi il nostro impianto può essere realizzato in maniera ottimale anche per zone più vaste con venti di minore e maggiore intensità (le pale eoliche non si avviano quando c’è poco vento e devono essere disattivate quando il vento raggiunge forza 6);
•    possibilità di ampliarne le dimensioni, per cui viene meno la necessità di creare parchi eolici;
•    produce rumori meno sgradevoli, è esteticamente più accettabile e non rappresenta un pericolo per gli uccelli;
•    minore dispendio di strumenti tecnici e quindi di costi: può essere costruito e mantenuto con attrezzi semplici.
Per questi motivi gli aquiloni sono particolarmente idonei all’approvvigionamento energetico decentralizzato nelle zone più povere della Terra nonché alla produzione diretta di energia meccanica e termica (senza dover ricorrerre alla corrente elettrica).
Esistono comunque anche degli svantaggi: questo tipo di aquiloni produce energia soltanto in fase di ascesa: quando non c’è vento occorre adottare misure particolari. Necessitano di spazi molto ampi. Se lo spago si strappa mette in pericolo la zona circostante e lo spazio aereo.

Dall’aquilone alla vela
È possibile ovviare a questi problemi adottando una serie di provvedimenti. Attraverso vari stadi intermedi nella fase di sviluppo, abbiamo concepito il seguente modello, che attualmente viene costruito come prototipo e in seguito sarà testato.
L’aquilone è diventato una vela tesa all’interno di un telaio girevole (figura 4), fissato a un carrellino. Il carrellino scorre su e giù lungo un palo (figura 5); verso l’alto il suo angolo d’attacco è positivo. Giunto all’estremità superiore viene inclinato verso il basso e scende con angolo negativo. Giunto all’estremità inferiore, nel punto di arresto l’angolo torna ad essere positivo. Il carrellino è appeso a una catena che scorre mediante due pulegge. Dalla carrucola inferiore la rotazione viene trasmessa a un generatore. La vela produce energia in modo continuo sia scorrendo verso l’alto che verso il basso. Ai lati della vela sono stati applicati dei timoni che le consentono di orientarsi in direzione del vento insieme al palo rettangolare. Il palo è provvisto di uno snodo girevole alle due estremità, ha una base piatta ed è ancorato al suolo con tre funi. L’angolo d’attacco della vela è preimpostato e, in una fase successiva dello sviluppo, potrà essere adattato automaticamente alla forza del vento. La velocità di ascesa del carrello varia con la potenza tratta dalla dinamo e viene massimizzata elettronicamente.
Ecco alcuni dati del modello in costruzione.
Lunghezza totale del palo: 8 m.
Lunghezza corsa carrello: 5m circa.
Superficie della vela: 6 m².
Trasmissione di energia mediante catene per biciclette.
Generatore: dinamo di autovettura
Potenza
Non esisono ancora teorie consultabili sulle prestazioni di impianti eolici di questo tipo. L’autore ha calcolato alcune formule sulla base di profili alari e intende verificarle su questo prototipo oltre che su modelli di laboratorio.
I valori ipotizzati per un impianto con vela sono illustrati nella tabella.
La potenza è proporzionale alla superficie della vela e alla terza potenza della velocità del vento, quindi doppia velocità produce una potenza otto volte maggiore.

Potenza prevista espressa in kilowatt in funzione della velocità media del vento secondo la scala Beaufort e in metri al secondo (m/s) con una vela di 6 m2 e un angolo di attacco fisso pari a 45°.

Come si può vedere, un impianto di questo tipo potrebbe per esempio, con vento a forza 4, produrre una potenza pari a 1,7 kW. Nei paesi meno sviluppati potrebbe senz’altro fornire a una o più famiglie energia sufficiente per cucinare e illuminare la propria abitazione. Tuttavia bisognerebbe immagazzinare energia, per esempio in batterie di autovetture, da usare nei periodi meno ventosi. Basterebbe attivare macchinari come le pompe soltanto in presenza di vento. Rispetto alle pale a vento di ridotte dimensioni, già in parte utilizzate, gli aquiloni avrebbero il vantaggio che la superficie utile per sfruttare il vento, vale a dire la larghezza della vela moltiplicata per la lunghezza della corsa del carrello, sarebbe più facile e più economica da realizzare in confronto alla superficie del rotore nella pala eolica. Occorre soltanto un palo più alto, facilmente costruibile usando del legno, e che raggiunga anche gli strati atmosferici più battuti dal vento. Il palo è ancorato a terra con dei tiranti, anch’essi poco dispendiosi. La dinamo di un’auto funge da generatore. Il resto è costituito da pezzi facilmente realizzabili artigianalmente (in alternativa a pali da installare ex novo, si può valutare l’impiego di ciminiere, torri, pali della luce, alberi di navi o ancora alberi privi di rami nella parte inferiore del tronco, già disponibili. Eventualmente vanno applicati dei tiranti).
Impianti basati su questa tecnologia, naturalmente più grandi e tecnicamente più complessi, sarebbero un’alternativa meno dispendiosa alle pale eoliche anche su media scala. Un palo fissato al suolo costa meno di una pesante torre che resista alla forza enorme del vento, il generatore rimane a terra e non in alto nella cabina girevole, un telaio è molto meno caro di eliche. Per citare alcuni vantaggi, grazie alla possibilità di aumentare l’altezza dell’impianto si raggiungono strati atmosferici percorsi da venti più veloci e non si uccidono volatili.

Figura 1
Un aquilone rokaku in fase di decollo. Per passare alla fase discendente viene sganciata, tramite frizione magnetica, la corda inferiore che sostiene l’aquilone, il quale si raddrizza e inizia a scendere.

Figura 2
Uno sled (slitta). Per la fase di discesa si sollevano i lembi laterali.

Figura 3
L’apparecchiatura: in alto a destra la bobina, a sinistra sul retro la dinamo, a destra il motore e sul davanti il dispositivo elettronico per misurare la potenza.

Figura 4
A: vela tesa all’interno del telaio C. B: palo intorno al quale si ribalta il telaio C in fase di salita e di discesa. Le frecce indicano la direzione del vento.

Figura 5
Impianto completo
A: vela; B: palo, C: telaio di supporto della vela. In fase ascendente si inarca verso l’alto, in fase discendente verso il basso. D: catena che scorre nelle carrucole. Alla carrucola inferiore è collegato l’apparecchio che utilizza l’energia (generatore, pompe ecc.). E: timone laterale per il posizionamento automatico dell’aquilone in direzione del vento. G: carrellino con telaio C, scorrevole lungo il palo verso l’alto e verso il basso, al quale è applicato il telaio C con la vela A. Il telaio viene orientato dall’intervento dei riscontri meccanici, superiore ed inferiore, rispettivamente verso il basso e verso l’alto.

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