Quando si sente parlare di turbine eoliche industriali, probabilmente si pensa al design di un mulino a vento, tecnicamente noto come turbina eolica ad asse orizzontale o HAWT. Ma le prime turbine eoliche sviluppate in Medio Oriente intorno all’VIII secolo per la macinazione del grano erano turbine eoliche ad asse verticale o VAWT. Non giravano parallelamente ma perpendicolarmente al vento.
Grazie alla loro velocità di rotazione più bassa, le turbine eoliche VAWT sono meno rumorose di quelle HAWT. Inoltre, raggiungono una maggiore densità energetica, il che significa che richiedono meno spazio per la stessa produzione sulla terraferma e in mare. Le pale sono anche più rispettose della fauna selvatica. Poiché ruotano lateralmente anziché tagliare dall’alto, gli uccelli possono evitarle più facilmente.
Se hanno questi vantaggi, perché le turbine eoliche VAWT sono così rare sul mercato attuale? Come spiega Sébastien Le Fouest, ricercatore presso il Laboratorio di Diagnostica del Flusso Instabile (UNFOLD) della Facoltà di Ingegneria, si tratta di un problema tecnico: il controllo del flusso d’aria. Egli ritiene che questo problema possa essere risolto combinando sensori e apprendimento automatico. In un articolo pubblicato di recente sulla rivista Nature Communications, Sébastien Le Fouest e Karen Mulleners, responsabile del laboratorio UNFOLD, descrivono due profili di inclinazione ottimali per le pale delle turbine eoliche VAWT. Questi profili aumentano le prestazioni delle turbine eoliche del 200% e riducono le vibrazioni che minacciano la struttura del 77%.
"Il nostro studio rappresenta, a nostra conoscenza, la prima applicazione sperimentale di un algoritmo di apprendimento genetico per determinare la migliore inclinazione di una pala di turbina eolica VAWT", afferma Sébastien Le Fouest.
Trasformare un tallone d’Achille in un vantaggio
Sébastien Le Fouest spiega che la capacità eolica installata in Europa aumenta di 19 gigawatt ogni anno, ma che questa cifra dovrebbe essere più vicina ai 30 gigawatt se si vuole raggiungere l’obiettivo delle Nazioni Unite di zero emissioni nette entro il 2050."Gli ostacoli non sono finanziari, ma sociali e legislativi. Le turbine eoliche sono poco accettate dalla società a causa delle loro dimensioni e del loro rumore", afferma.
Nonostante i loro vantaggi, le turbine eoliche VAWT hanno un grosso svantaggio: funzionano solo in presenza di un flusso d’aria moderato e continuo. L’asse di rotazione verticale fa sì che le pale cambino costantemente direzione rispetto al vento. Una forte raffica aumenta l’angolo tra il flusso d’aria e la pala, formando un vortice in un fenomeno noto come stallo dinamico. Questi vortici creano carichi strutturali transitori che le pale non possono sopportare.
Per ovviare a questa mancanza di resistenza alle raffiche, gli scienziati hanno installato dei sensori sull’albero di trasmissione della pala per misurare le forze aeree esercitate su di essa. Inclinando la pala avanti e indietro a diverse angolazioni, velocità e ampiezze, hanno creato una serie di "profili di inclinazione". Hanno quindi eseguito un algoritmo genetico su un computer, che ha eseguito più di 3.500 iterazioni sperimentali. Come un processo evolutivo, l’algoritmo ha selezionato i profili di inclinazione più robusti e con le migliori prestazioni e ha ricombinato le loro caratteristiche per creare il profilo migliore.
Questo approccio ha permesso agli scienziati non solo di identificare due serie di profili di inclinazione che aiutano a ottimizzare notevolmente le prestazioni e la robustezza delle turbine eoliche, ma anche di trasformare i principali punti deboli delle turbine eoliche VAWT in punti di forza.
"Su scala ridotta, lo stallo dinamico - lo stesso fenomeno che distrugge le turbine eoliche - può effettivamente spingere la pala in avanti. Qui stiamo sfruttando lo stallo dinamico a nostro vantaggio, reindirizzando l’inclinazione in avanti della pala per produrre energia", spiega Sébastien Le Fouest. "La maggior parte delle turbine eoliche dirige la forza generata dalle pale verso l’alto, il che non facilita la rotazione. Cambiare quest’angolo non solo crea un vortice più piccolo, ma lo spinge anche indietro al momento giusto, dando luogo alla formazione di una seconda area di produzione di energia nella direzione del vento."
L’articolo di Nature Communications presenta il lavoro di dottorato di Sébastien Le Fouest presso il Laboratorio UNFOLD. Questo ricercatore ha recentemente ricevuto una borsa di studio BRIDGE dal Fondo Nazionale Svizzero per costruire una turbina eolica VAWT dimostrativa. L’obiettivo è installare questa turbina eolica sul campo per poterla testare in condizioni reali.
"Speriamo che questo metodo di controllo del flusso d’aria permetta alla tecnologia VAWT di evolversi, rendendola efficiente e affidabile, in modo da poter essere commercializzata", conclude Sébastien Le Fouest.