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Generatori ad asse verticale

Un generatore eolico ad asse verticale (VAWT - Vertical Axis Wind Turbines) è un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantità di parti mobili nella sua struttura, il che le conferisce un'alta resistenza alle forti raffiche di vento , e la possibilità di sfruttare qualsiasi direzione del vento senza doversi riorientare continuamente. È una macchina molto versatile, adatta all'uso domestico come alla produzione centralizzata di energia elettrica nell'ordine di Gigawatt.

Gli aerogeneratori tradizionali hanno, quasi senza eccezioni, l'asse di rotazione orizzontale. Questa caratteristica è il limite principale alla realizzazione di macchine molto più grandi di quelle attualmente prodotte: i requisiti statici e dinamici che bisogna rispettare non consentono di ipotizzare rotori con diametri molto superiori a 100 metri e altezze di torre maggiori di 180 metri. Queste dimensioni, per altro, riguardano macchine per esclusiva installazione off-shore. Le macchine on-shore più grandi hanno diametri di rotore di 70 metri e altezze di torre di 130 metri. In una macchina siffatta il raggio della base supera i 20 metri. La velocità del vento cresce con la distanza dal suolo. Questa è la principale ragione per la quale i costruttori di aerogeneratori tradizionali spingono le torri a quote così elevate. La crescita dell'altezza, insieme al diametro del rotore che essa rende possibile, sono la causa delle complicazioni statiche dell'intera macchina, che impone fondazioni complesse e costose e strategie sofisticate di ricovero in caso di improvvise raffiche di vento troppo forte. Macchine eoliche ad asse verticale sono state concepite e realizzate fin dal 1920 . La sostanziale minore efficienza rispetto a quelle con asse orizzontale (30%) ne ha di fatto confinato l'impiego nei laboratori. L'unica installazione industriale oggi esistente è quella di Altamont Pass in California , realizzata dalla FloWind nel 1997 . L'installazione è in fase di smantellamento, a causa delle difficoltà economiche del costruttore, che è in bancarotta.

Negli ultimi tempi, tuttavia, si è cercato di ottimizzare molto queste macchine, rendendole molto competitive: taluni asseriscono che gli ultimi prototipi, funzionando in molte più ore l'anno rispetto a quelle ad asse orizzontale, hanno un rendimento complessivo maggiore.

Innovazioni - il Kitegen

Esiste in Italia un progetto radicalmente innovativo (il prototipo è ancora in fase di costruzione) che consiste proprio in una centrale eolica ad asse di rotazione verticale. Si tratta del Kite Wind generator o KiteGen [1] ). Questo elimina tutti i problemi statici e dinamici che impediscono l'aumento della potenza (cioè delle dimensioni) ottenibile dagli aerogeneratori tradizionali.

Il problema di “catturare” il vento è risolto dall'idea di impiegare profili alari di potenza ( Power Kites ) solidali al perimetro della turbina . I profili alari di potenza volano secondo traiettorie prestabilite, che permettono di trasformare la forza esercitata sui cavi in una coppia complessiva concorde che mette in rotazione la turbina ad asse verticale. In pratica, i profili alari di potenza sono le “pale” della turbina, che le consentono di ruotare intorno ad un asse verticale, semplificando enormemente i problemi di fondazione e di rigidezza.

Sei profili alari di potenza controllati automaticamente sono in grado di tenere in rotazione una turbina di 1.600 metri di diametro alla velocità di 15 giri all'ora, il che permette di generare la potenza di 1 GigaWatt, l'equivalente di una centrale nucleare di media potenza a un costo 40 volte inferiore (80 milioni di euro contro i 2,5 miliardi per la costruzione e 0,5 miliardi per lo smantellamento di una centrale nucleare, oltre al costo di stoccaggio/smaltimento delle scorie radioattive).

L'ulteriore vantaggio dei profili alari di potenza risiede nel fatto che la lunghezza del cavo può permettere loro di raggiungere altezze di 500 o 600 metri, dove il vento può essere due o tre volte più veloce, senza introdurre criticità strutturali. Infatti l'altezza della sommità del corpo centrale è irrilevante ai fini della produzione di energia. Si considera opportuno che sia di almeno 30 metri, per consentire attività sull'area sottostante ( agricoltura , pascolo o navigazione , nel caso di installazioni off-shore).

Il vento ad alta quota ha anche la caratteristica di essere quasi sempre presente e sostenuto (7000 ore) durante l'anno mentre quello a livello del terreno è presente solo per circa 1700-1800 ore all'anno (ore che rappresentano il rapporto Kwh prodotto in un anno rispetto alla potenza dell'aerogeneratore), un anno ha 8760 ore.

A giugno 2006 il kitegen ha ricevuto un finanziamento di 15 milioni di euro. Con i primi 4 milioni di euro partirà una prima sperimentazione di un kitegen da 1 megawatt di bassa quota, di seguito partirà la sola progettazione di un kitegen di potenza usando i restanti 11 milioni di euro del contributo pubblico. Il wind kite generator di potenza sarà probabilmente da 20 Mw e si suppone sarà costruito sulle ceneri dei reattori di Trino (VC). L'area è ideale perché è già protetta da una "no fly zone", si tratterà, in questo caso, di eolico di alta quota.

In ogni caso, si pensa che la tecnologia dei generatori ad asse verticale, quando matura, soppianterà quella ad asse orizzontale, come del resto sta già, in parte, accadendo.