Lo sapevate che il peggior nemico delle pale eoliche è il vento? Ebbene sì: non c’è nulla di più pericoloso delle raffiche di vento molto forti, in grado di mandare in tilt i sistemi e in casi di tempeste estreme anche di sradicare le pale dalle loro stesse fondamenta! A fronte di un avversario così potente, è necessario sviluppare un sistema di difesa tanto sofisticato quanto repentino: per fortuna le nuove tecnologie vengono prontamente in nostro soccorso.
LIDAR: l’ambulanza dei cieli
Il protagonista di questa storia ha un nome ben preciso, anzi un acronimo: LIDAR, che sta per “Laser imaging, detection and ranging” (in italiano “Diagnostica laser, rilevamento e γ”). Si tratta dello strumento di misura del vento ad oggi più sofisticato, che sfrutta un fenomeno chiamato effetto Doppler. In parole povere: funziona come un’ambulanza.
Quando stiamo guidando e un’ambulanza arriva alle nostre spalle, sentiamo il rumore della sirena forte e squillante. Una volta che ci siamo scansati per farla passare e questa ci supera, la stessa sirena ha un suono molto meno forte. Eppure la sorgente sonora non è cambiata in alcun modo: cosa è successo? Il trucco sta nel moto relativo dell’onda sonora rispetto all’ascoltatore e ce lo spiega Christian Doppler, lo scienziato che ha dato il nome all’effetto sopracitato. Quando la fonte sonora si muove verso l’ascoltatore la frequenza dell’onda sonora aumenta, facendoci percepire un suono più acuto. Al contrario, quando si allontana la frequenza diminuisce, generando un suono più grave: ecco spiegato questo bizzarro fenomeno.
Tutto molto interessante, ma che cosa centra con le nostre pale eoliche? Questo fenomeno funziona con qualunque tipo di onda, quindi il LIDAR lo sfrutta con le onde elettromagnetiche, sparando un fascio laser nell’atmosfera. Anche nelle giornate più limpide, l’atmosfera è ricca di particelle, come aerosol e pulviscolo. Il raggio laser incontra queste particelle e viene riflesso indietro verso il LIDAR. Il vento muove le particelle, facendo sì che al ritorno il laser avrà una frequenza diversa rispetto al momento dell’emissione, dando vita all’effetto Doppler.
Il LIDAR rileva questa differenza di frequenza e da lì calcola a ritroso la velocità del vento e la sua direzione. Essendo il laser un fascio luminoso esteso, lo strumento riesce a effettuare misurazioni a diverse altezze, generando una vera e propria mappa del vento della zona interessata.
Figura 1: applicazioni dell’effetto Doppler, a sinistra nel suono della sirena dell’ambulanza e a destra nel funzionamento del LIDAR (fonte: LIDAR solutions)
Il paladino delle pale eoliche
Una volta spiegato come funziona il LIDAR, rimane ancora il dubbio su come sia effettivamente in grado di proteggere le pale dalle tempeste. Uno dei punti di forza di questo strumento è che è in grado di svolgere diverse mansioni in base al punto in cui viene collocato. Se viene posizionato a terra e puntato verso l’alto, il LIDAR fornisce l’intensità del vento di una certa zona. Questi dati sono fondamentali per valutare la producibilità di un potenziale sito di un parco eolico e vengono prelevati prima dell’installazione delle pale, per cercare il sito giusto in cui si possa massimizzare la produzione di energia elettrica a fronte di una risorsa eolica maggiore.
Una volta installato e messo in operazione il parco eolico, il LIDAR non va mica in pensione! Viene spostato da terra a sopra la navicella, la zona adibita alla conversione dell’energia da meccanica ad elettrica che si trova alla stessa altezza delle pale in rotazione.
Figura 2: a sinistra, LIDAR a terra e a destra LIDAR in cima ad una pala eolica (fonti: AMOF e Power)
Il LIDAR
Una volta posizionato il LIDAR in cima, orientarlo in modi diversi gli fa svolgere funzioni diverse. Se punta verso il retro della pala, questo strumento è in grado di valutare la scia generata dal vento che l’ha attraversata. Gli effetti della scia vanno studiati con cautela, perché potrebbero andare ad inficiare sulle performance delle pale vicine.
Se invece il LIDAR punta dritto davanti alla pala eolica, entrano in gioco le sue doti da protettore. In questa configurazione, infatti, lo strumento scandaglia i venti che stanno arrivando in direzione della turbina. La velocità di questi venti viene rilevata 2-3 secondi prima che essi arrivino effettivamente alle pale. Quindi, se sta per sopraggiungere una raffica di vento potenzialmente distruttiva il LIDAR la individua e manda il segnale di allarme, fornendo al sistema il tempo per mettersi in sicurezza ed evitare di essere travolto dalla bufera. Si tratta di pochi secondi di vantaggio, ma sono cruciali per garantire l’integrità della struttura.
Per mettersi in sicurezza, le pale vengono disposte in una configurazione chiamata a bandiera (in inglese “feathered”). Il sistema di controllo interviene sull’angolo di inclinazione delle pale (che in inglese si chiama “pitch angle”), ruotandolo fino ad esporre al vento la minor superficie possibile. Mettendole in questo modo, il vento quasi non interagisce con la struttura meccanica e attraversa indisturbato la pala eolica, lasciandola indenne. Grazie al LIDAR, le tempeste non saranno più un problema!
Figura 4: a sinistra l’azione preventiva del LIDAR, a destra la differenza tra la posizione a bandiera e quella di normale funzionamento delle pale eoliche (fonti: Sowento e Riskengineers)
Il futuro: pale eoliche a prova di tifone
Giulio Cesare diceva: “Se non puoi sconfiggere il tuo nemico, fattelo amico”. Un nuovo tipo di turbina eolica prova a seguire il consiglio del condottiero romano, sfruttando l’energia dei tifoni tropicali per produrre energia. Stiamo parlando delle Magnus Vertical Axis Wind Turbine, abbreviate in Magnus VAWT. Sono composte da cilindri verticali posti in perenne rotazione su se stessi che, quando vengono investiti dal vento, sentono una forza perpendicolare ad esso, sfruttata per produrre energia elettrica. In questo caso il fenomeno di funzionamento è l’effetto Magnus: non vi spiegheremo nel dettaglio come funziona, ma vi basta sapere che è lo stesso che sfruttano i calciatori per cambiare la traiettoria del pallone, facendolo curvare a mezz’aria.
Figura 5: a sinistra principio di funzionamento delle Magnus VAWT, a destra un esempio installato nelle Filippine (fonti: Japan2earth ed Energy Tracker Asia)
Mentre le pale eoliche tradizionali vengono fermate e messe in sicurezza con venti superiori ai 25 m/s, questa nuova tipologia è in grado di generare potenza anche con raffiche di 40 m/s. Questa caratteristica le rende estremamente promettenti per tutte quelle zone soggette ad uragani e tifoni, che spesso coincidono con regioni ancora sottosviluppate dal punto di vista energetico. In Giappone e nelle Filippine hanno già condotto degli esperimenti, con il Madagascar come prossimo paese coinvolto nella sperimentazione.
Conclusione
Il sogno è che le turbine Magnus possano colonizzare tutto il sudest asiatico e l’Africa orientale, fornendo elettricità in zone segnate da eventi atmosferici estremi, fino ad oggi relegate ad essere escluse dalla generazione elettrica tradizionale o ad una costante incertezza nella fornitura causa frequenti intemperie. Quindi, o grazie al LIDAR o grazie alle turbine Magnus, possiamo gridare a gran voce: tempeste, non vi temiamo!
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