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Rivoluzionare l’eolico con le turbine ad aquilone

Kites Energy Generators

Kites Energy Generators - KiteGen

Chiunque abbia fatto volare un aquilone ha un’esperienza diretta della forza del vento a quota elevata. Che cosa succede quando si cerca di applicare lo stesso concetto per sfruttare al meglio l’energia eolica?  L’idea di utilizzare aquiloni per catturare l’energia del vento non è nuova: il primo  brevetto per lo sfruttamento industriale di questa intuizione risale al 1980, ma a quei tempi la tecnologia non era sufficientemente matura per consentire la realizzazione di un prototipo funzionante. Oggi questa sfida tecnologica viene nuovamente affrontata da due imprese, la californiana Makani Power e l’ italiana Kite Gen.

La forza del vento ad alta quota

La Terra è avvolta da due nastri di vento, il primo dei quali passa sopra la Terra del Fuoco, mentre il secondo  sovrasta l’Europa. L’altezza del nastro europeo – largo dai 4000 ai 5000 km – va da circa 500 metri fino a 10.000 metri di altitudine. La corrente di aria che scorre all’interno del nastro genera una potenza media di 2 kW al metro quadrato (pari a una velocità di 15 m/s) per circa 7000 ore all’anno. Il vento di alta quota ha quindi la caratteristica di essere molto forte e praticamente costante, soprattutto se confrontato con le correnti a livello del terreno, che sono forte solo in determinati siti e per circa 1700-1800 ore all’anno. A diverse altitudini corrispondono diversi livelli di velocità e, quindi, di potenza: ad esempio, a 800 metri di altezza si hanno velocità medie di 7 m/s con potenza specifica di 200 W/m, il che vuol dire che una sezione di vento larga 1 km a altitudine tra i 600 e i 1000 metri ha una potenza di un gigawatt, paragonabile a quella di una centrale nucleare.  È evidente quindi il motivo che ha spinto negli ultimi anni diversi gruppi di ricercatori ed imprenditori a cercare un modo efficace per sfruttare questa risorsa naturale.

Makani Airborne Wind Turbine, la centrale eolica ad aquilone

L’azienda californiana Makani Power ha recentemente progettato la Airborne Wind Turbine, un nuovo tipo di centrale eolica dal design innovativo, che combina il concetto di kite (aquilone) con i principi di funzionamento delle tradizionali turbine eoliche. L’obiettivo dell’azienda è generare lo stesso movimento alare presente in una turbina eolica, ma senza la presenza della struttura fissa della turbina stessa.  Secondo Corwin Hardham, CEO di Makani Power, nella Airborne Wind Turbine le pale si muovono secondo lo stesso schema delle turbine eoliche, ma ciascuna di esse è costituita semplicemente da un kite in fibra di carbonio, collegato tramite un cavo a una struttura che viene trascinata in un movimento rotatorio e che genera energia elettrica. Il vantaggio principale di questa turbina “ad aquilone” è la leggerezza: essa utilizza infatti solo una frazione del materiale necessario per una turbina eolica standard, e se una turbina tradizionale da 1MW può pesare più di 100 tonnellate, una Airborne Wind Turbine della stessa potenza ne pesa circa un decimo, con un costo stimabile intorno ai 0,03$/KWh. La tecnologia di Makani Power è talmente promettente che il progetto ha vinto quest’anno il premio Popular Mechanic’s 2011 Breakthrough Innovator Award sul tema dell’energia, ed ha ricevuto 3 milioni di dollari dal Dipartimento dell’Energia statunitense (DOE) e 20 milioni in finanziamenti di venture capital da parte di Google.

KiteGen, profili alari di potenza

Ma Makani Power non è la sola azienda attiva in questo nuovo settore dell’energia rinnovabile. L’italiana Kite Gen Research, per esempio, è impegnata dal 2006 nello sviluppo di una turbina per la trasformazione l’energia  del vento di alta quota in energia elettrica, attraverso la tecnologia Kite Gen® . Il progetto Kite Gen è passato di recente alla fase di pre-industrializzazione dei primi modelli di centrali eoliche di alta quota, e prevede due filoni principali di sviluppo: il KiteGen Stem (centrale eolica che sfrutta la trazione generata da un singolo kite) ed il KiteGen Carousel (centrale eolica ad asse di rotazione verticale, azionata da molti kites contemporaneamente). In quest’ultimo caso, proprio il diverso orientamento dell’asse di rotazione dovrebbe eliminare tutti i problemi statici e dinamici che impediscono l’aumento della potenza  nelle turbine eoliche tradizionali. Una turbina Kite Gen da 100MW necessita di un anello di 1000m (mille metri) di diametro, e funzionando a pieno regime per il 57% del tempo è in grado di generare 500GWh di elettricità in un anno. Il costo stimato è di 0.03€/kWh, inferiore a quello dei combustibili fossili che a quello delle attuali fonti rinnovabili.

Centrali ad alta quota

Le torri eoliche tradizionali non possono arrivare a sfruttare il vento d’alta quota: il loro limite dimensionale le pone al massimo a 100 metri dal suolo, altezza oltre la quale la struttura di sostegno diventa troppo pesante, instabile e costosa. La centrale Kite Gen, al contrario, nasce proprio per sfruttare le correnti di alta quota, dato che la lunghezza del cavo può permettere ai profili alari di raggiungere altezze oltre i 500 metri, senza introdurre criticità strutturali. Le turbine ad aquilone possono tuttavia operare anche ad altezze inferiori: le ali dell’ Airborne Wind Turbine, testate a circa 300 metri di altezza, possono rimanere in aria anche in presenza di brezze costanti, e addirittura automantenersi in volo in assenza di vento. Quest’ultimo caso comporta tuttavia un consumo di energia elettrica, motivo per cui la turbina è dotata di un sistema di atterraggio del kite in assenza di vento. Ora anche Makani, come Kite Gen, sta cercando di sviluppare un sistema con turbina più grande, con profili alari in grado di volare a circa 500 metri e produrre elettricità sufficiente per alimentare 600 case. L’azienda californiana prevede infatti di lanciare un prototipo del nuovo progetto entro il 2013 ed iniziare la produzione commerciale entro il 2015.

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Wind Turbines Shed Their Gears

Fonte: www.technologyreview.com

Both Siemens and GE bet on direct-drive generators.

By Peter Fairley

Turbina Siemens

Power ring: This three-megawatt wind turbine uses permanent magnets and a design that makes it significantly lighter than a conventional geared turbine. Credit: Siemens

Wind turbine manufacturers are turning away from the industry-standard gearboxes and generators in a bid to boost the reliability and reduce the cost of wind power.

Siemens, the world’s largest turbine manufacturer by volume, has begun selling a three-megawatt turbine using a so-called direct-drive system that replaces the conventional high-speed generator with a low-speed generator that eliminates the need for a gearbox. And last month, General Electric announced an investment of 340 million euros in manufacturing facilities to build its own four-megawatt direct-drive turbines for offshore wind farms.

Most observers say the industry’s shift to direct-drive is a response to highly publicized gearbox failures. But Henrik Stiesdal, chief technology officer of Siemens’s wind power unit, says that gearbox problems are overblown. He says Siemens is adopting direct-drive as a means of generating more energy at lower cost. “Turbines can be made more competitive through direct-drive,” says Stiesdal.

Siemens’s plans hinge on a new design that reduces the weight of the system’s generator. In conventional wind turbines, the gearbox increases the speed of the wind-driven rotor several hundred fold, which radically reduces the size of the generator required. Direct-drive generators operate at the same speed as the turbine’s blades and must therefore be much bigger–over four meters in diameter for Siemens’s three-megawatt turbine. Yet Siemens claims that the turbine’s entire nacelle weighs just 73 metric tons–12 tons less than that on its less powerful, gear-driven 2.3-megawatt turbines.

Much of the weight reduction comes from the use of permanent magnets in the generators’ rotor–a trick that GE is also using. Conventional turbine generators use electromagnets–copper coils fed with electricity from the generator itself. Henk Polinder, an expert in permanent-magnet generators at Holland’s Delft University of Technology, says that a 15-millimeter-thick segment of permanent magnets can generate the same magnetic field as a 10- to 15-centimeter section of copper coils.

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