Dall'EPFL svizzero il primo studio che applica un algoritmo di apprendimento automatico per migliorare l'efficienza delle turbine eoliche ad asse verticale (VAWT)
Nuovi progressi per le turbine eoliche ad asse verticale
Un miglioramento dell’efficienza del 200% e una riduzione delle vibrazioni del 70%. Questi gli ultimi due grandi risultati raggiunti nel campo delle turbine eoliche ad asse verticale presso l’UNFoLD, il laboratorio di diagnostica del flusso instabile della Scuola Politecnica Federale di Losanna (EPFL). Il merito va a Sébastien Le Fouest e Karen Mulleners che, in un’anteprima mondiale, hanno migliorato questa specifica tecnologia impiegando un algoritmo di apprendimento automatico.
Ma per capire la portata dello studio è necessario fare qualche passo indietro e cominciare dalle basi. Capendo quale posizione occupa questa tecnologia nel mercato eolico.
Eolico ad asse verticale, come funziona?
L’eolico ad asse verticale o VAWT (per usare l’acronimo inglese di “Vertical-axis wind turbines”) impiega rotori i cui assi sono direzionati verticalmente. Il settore offre diverse tipologie di aerogeneratori ma le classi più diffuse sono:
- Le VAWT di tipo Darrieus, basate sulla portanza; queste unità pale lunghe e curve, collegate sia nella parte superiore che inferiore all’albero del rotore.
- Le VAWT tipo Savonius, basate sul principio della forza di resistenza; le pale sono disposte in maniera elicoidale attorno all’albero verticale.
La potenza media di questi aerogeneratori è di circa 7,4 kW ma quelli più comunemente utilizzati hanno dimensioni piccole con capacità che si aggirano intorno a 2,5 kW.
Quanta energia producono gli aerogeneratori ad asse verticale?
La produzione dell’eolico VAWT dipende da una serie di fattori legati al design della turbina e alle condizioni specifiche del sito di installazione. In generale una piccola turbina ad asse verticale può generare da poche centinaia a diverse migliaia di kilowattora all’anno. Con periodi di ammortamento che in genere vanno da 5 a 30 anni a seconda di vari fattori (es. potenziali incentivi, costo dell’elettricità, ecc…).
A titolo di esempio un mini aerogeneratore ad asse verticale da 4 kW, se ben posizionato, dovrebbe produrre circa 5.000 kWh l’anno con una velocità del vento di 6 m/s.
Turbine eoliche ad asse verticale: vantaggi e svantaggi
Le turbine eoliche ad asse verticale presentano nette differenze rispetto alle classiche turbine ad asse orizzontale (HAWT- “Horizontal-axis wind turbines”). Come spiegato poc’anzi nel primo caso l’orientamento del rotore è indipendente dalla direzione del vento. Nelle turbine HAWT il rotore risulta sempre orientato parallelamente alla direzione di provenienza del vento.
Queste macro differenze determinano una serie di vantaggi.
Ruotando attorno ad un asse ortogonale al flusso in entrata, il lavoro dell’eolico ad asse verticale risulta indipendente dalla direzione del vento, permettendogli di funzionare bene anche nei flussi d’aria urbani. Inoltre offrono un design più compatto e operano a frequenze di rotazione più basse, il che riduce significativamente il rumore e il rischio di collisione con uccelli e altri animali volanti. E ancora: le parti meccaniche della trasmissione possono essere posizionate vicino al suolo, facilitando la manutenzione e riducendo i carichi strutturali.
Perché allora non sono la scelta dominante sul mercato eolico? Perché possiedono anche degli svantaggi, a partire da una minore efficienza, da una minore velocità massima consentita e da una maggiore sensibilità alle turbolenze.
Come spiega lo stesso Le Fouest, si tratta di un problema ingegneristico: le VAWT funzionano bene solo con un flusso d’aria moderato e continuo. “Una forte raffica aumenta l’angolo tra il flusso d’aria e la pala, formando un vortice in un fenomeno chiamato stallo dinamico. Questi vortici creano carichi strutturali transitori che le pale non possono sopportare“, scrive Celia Luterbacher sul sito dell’EPFL.
Inoltre, alcuni modelli di VAWT non dispongono della capacità di avviamento automatico, richiedendo una fonte di alimentazione esterna (con conseguente perdita di energia) durante ogni avviamento, come un generatore-motore elettrico a doppia modalità o due dispositivi separati.
Algoritmi genetici per migliorare l’efficienza delle turbine eoliche VAWT
Per migliorare l’efficienza delle turbine eoliche ad asse verticale, i ricercatori hanno cercato una nuova strategia per controllo a livello di pala. La base di partenza del lavoro è stato il cosiddetto “Blade pitching” o beccheggio delle pale, metodo già impiegato dal settore eolico per regolare la velocità di rotazione e la potenza generata. L’approccio permette di modificare l’angolo di attacco effettivo della pala per intervenire sulla separazione del flusso e sullo stallo dinamico.
Il team dell’UNFoLD ha puntato però su uno speciale pitching dinamico delle pale individuali, cercando di individuare profili di inclinazione ottimali. Il lavoro è iniziato montando dei sensori, direttamente su una turbina in scala ridotta, a sua volta accoppiata ad un ottimizzatore funzionante con algoritmi genetici di apprendimento. Di cosa si tratta? Di una particolare tipologia di algoritmi euristici basati sul principio della selezione naturale.
Quindi muovendo la pala avanti e indietro con angoli, velocità e ampiezze diverse, hanno generato una serie di profili di inclinazione. “Come in un processo evolutivo, l’algoritmo ha selezionato i profili più efficienti e robusti e ha ricombinato i loro tratti per generare una ‘progenie’ nuova e migliorata”.
Questo approccio ha permesso a Le Fouest e Mulleners non solo di identificare due serie di profili di passo che contribuiscono a migliorare significativamente l’efficienza e la robustezza della macchina, ma anche di trasformare la più grande debolezza delle turbine eoliche ad asse verticale in un punto di forza. Nel dettaglio il gruppo ha ottenuto due serie di profili di pitch ottimali che permettono un aumento di tre volte del coefficiente di potenza e una riduzione del 77% delle fluttuazioni di carico. I risultati sono riportati su un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications.
Chi produce turbine eoliche ad asse verticale?
Per le sfide e i problemi sopracitati gli aerogeneratori ad asse verticale occupano ancora oggi una minuscola nicchia di mercato. le aziende che si sono lanciate nella produzione dell’eolico verticale sono:
- Arborwind – Ann Arbor, USA
- Astralux LTD/New Wind Turbine – Kyiv, Ucraina
- Cleanfield Energy – North York, Canada
- Global Wind Group – Winnipeg, Canada
- Gual StatoEolien – Montereau, Francia
- Helix Wind – non più in attività
- Hi-VAWT – Taiwan
- McCamley UK – Keele, Inghilterra
- Ropatec – Bolanzo, Italia
- Sauer Energy – Camarillo, USA
- Urban Green Energy – New York, USA
- VBINE Energy – Winkler, Canada
- Venger Wind – Henderson, USA
- Windside – Viitasaari, Finlandia
- Windspire – Reedsburg, USA
