Le turbine eoliche a asse verticale (VAWT) sono emerse come una tecnologia avvincente per gli ambienti urbani, offrendo un modo per generare energia pulita direttamente dove viene consumato. A differenza delle loro più grandi controparti orizzontali-assi, VAWTs sono progettati per prosperare nelle complesse condizioni e turbolenti del vento che caratterizzano i paesaggi urbani.

Come funzionano le turbine eoliche dell'asse verticale

La lama di rotore principale è perpendicolare al suolo, e il generatore e cambio (se presente) si appoggiano a o vicino alla base. Questa configurazione permette alla turbina di accettare il vento da qualsiasi direzione senza richiedere un meccanismo di yaw. I due principali disegni VAWT sono i Darrieus (basato di sollevamento, spesso con i bracci diritti curvatura.

In una turbina Darrieus, l'ascensore aerodinamico spinge le lame più velocemente della velocità del vento, raggiungendo velocità di rotazione più elevate efficienze. Le turbine Savonius si basano sulle differenze di resistenza tra i lati concavi e convessi delle paludi, producendo coppia di torsione anche a velocità del vento molto basse ma con una minore efficienza.

Vantaggi chiave in ambienti urbani

I VAWT non sono semplicemente versioni abbagliate delle turbine eoliche rurali; sono progettati per affrontare i vincoli specifici delle infrastrutture urbane, i cui vantaggi sono particolarmente rilevanti in quanto i progettisti urbani cercano di integrare la generazione rinnovabile senza sacrificare l'estetica o la vivibilità.

Installazione compatta e flessibile

I VAWT occupano un'impronta più piccola di HAWT di potenza nominale equivalente. Il loro fattore di forma verticale permette loro di essere montati su tetti, costruzione di led, balconi, e anche integrato in caratteristiche architettoniche come parapetti o segnaletica. Poiché il generatore e le parti in movimento sono alla base, l'installazione e la manutenzione non richiedono gru o torri alte, riducendo i costi di upfront e il carico strutturale sugli edifici esistenti.

Basso rumore e vibrazione

Le ordinanze di rumore urbane spesso limitano il funzionamento di apparecchiature meccaniche. I VAWT operano generalmente a velocità di rotazione inferiore a quelle HAWT, generando meno rumore aerodinamico. L'assenza di un meccanismo di yaw e il posizionamento della trasmissione a livello di terra, distribuendo ulteriormente le vibrazioni meccaniche. Molti modelli VAWT urbani producono livelli di suono paragonabili a un frigorifero o condizionatore d'aria (40-50 dB a pochi metri), rendendole accettabili in quartieri residenziali e residenziali.

Efficacia nei venti turbolenti e variabili

I VAWT sono il vantaggio più citato della loro capacità di eseguire in vento turbolento. Gli edifici creano eddies, incanalando gli effetti, e le raffiche improvvise che possono causare HAWTs di spegnere o di girare in modo inefficiente. VAWTs, essendo onnidirezionale, raccogliendo continuamente energia da questi flussi caotici.

Facilità di manutenzione e sicurezza

Tutti i componenti critici, generatrici, cambio, freni e controlli, sono accessibili a livello terra o tetto, semplificando le ispezioni di routine e riducendo la necessità di attrezzature speciali per arrampicata o pesanti. Per installazioni integrate nell'edilizia, questo riduce anche il rischio di incidenti e danni. Inoltre, i VAWT sono generalmente considerati più sicuri per la fauna selvatica: uccelli e pipistrelli possono rilevare e evitare un asse verticale che ruota rapidamente.

Integrazione estetica

Le forme scultoree (elica curvata, lame verticali snelle) possono integrare le facciate dell'edificio piuttosto che scontrarsi con loro. Diversi produttori producono turbine con rivestimenti colorati, illuminazione integrata a LED, o lame trasparenti che si fondono nello skyline. Questa flessibilità estetica aiuta a superare la resistenza NIMBY (non nel mio cortile) che spesso blocca progetti di energia eolica in quartieri densi.

Sfide e strategie di mitigazione

Nonostante la loro promessa, i VAWT affrontano diverse barriere all'adozione urbana diffusa.Gli ingegneri e i pianificatori urbani hanno sviluppato strategie per mitigare ciascuna di queste preoccupazioni, e la ricerca continua sta progressivamente restringendo il divario tra le prestazioni VAWT e HAWT.

Efficienza del picco inferiore

Il massimo rendimento teorico (Betz limit) si applica a tutte le turbine eoliche, ma i VAWT raggiungono tipicamente il 35-45% di Betz, rispetto al 45-50% per grandi HAWT. L'efficienza inferiore è in parte dovuta a perdite aerodinamiche durante la metà del vento in giù di ogni rivoluzione e l'interazione tra lame e le onde.

Carico strutturale e integrazione degli edifici

Il montaggio di una turbina su un edificio esistente richiede un'attenta analisi strutturale. Il peso della turbina, le forze dinamiche del vento e della rotazione, e la risonanza devono essere contabilizzate. La reintroduzione di edifici vecchi può essere impraticabile o costosa. Le strategie di mitigazione includono l'utilizzo di materiali compositi leggeri (carbonio, alluminio, polimeri rinforzati) e ammortizzatori per assorbire le vibrazioni.

Energia Rendimento e periodo di rimborso

I pannelli solari di produzione urbana sono spesso più poveri dei siti rurali a causa di velocità medie inferiori e di alta intensità di turbolenza. Un VAWT scarsamente sitolato può generare solo poche centinaia di kilowatt-hours all'anno, portando ad un lungo periodo di rientro.

Rumore e Vibrazione (Rivisitato)

Mentre generalmente tranquillo, alcuni modelli VAWT producono un basso rumore di frequenza o una lama swish che può essere fastidioso in installazioni vicino campo.

Conflitti Estetici e Terrestre

Anche un VAWT ben progettato può essere respinto da proprietari di edifici o vicini se è percepito come un disordine. La soluzione si trova nel coinvolgimento precoce e la personalizzazione del design. Alcuni architetti incorporano VAWTs come caratteristiche visibili che comunicano le credenziali verdi di un edificio, molto come tetti verdi o pareti viventi.

Innovazione tecnologica Guidare l'adozione VAWT

Diversi progressi stanno rendendo VAWT più fattibile e conveniente per le applicazioni urbane.

Materiali e produzione

I compositi rinforzati con fibra di carbonio consentono di ottenere lame più leggere, più rigide e più durevoli rispetto alla fibra di vetro o all'alluminio. La produzione aggiuntiva (3D) consente una rapida prototipazione e produzione di profili personalizzati della lama. Alcune aziende stanno esplorando lame di bambù e bio-resina per una turbina completamente biodegradabile.

Design ibridi e contraddittori

Combinando una sezione di avviamento Savonius con un rotore principale Darrieus crea una turbina che si auto-avvicina a velocità del vento molto basse (circa 1,5 m/s) e raggiunge un'alta efficienza basata sugli impianti di sollevamento.

Turbine eoliche integrate (BIWT)

I VAWT possono essere integrati fisicamente nell'architettura degli edifici, come i cerchi del vento sui grattacieli, all'interno di atrium che l'aria deimbuti o lungo le ringhiere dei ponti.Il Bahrain World Trade Center utilizza famosamente tre HAWT, ma i progetti più recenti come la Pearl River Tower di Guangzhou e la Strata SE1 di Londra incorporano i VAWT nei loro frame strutturali.

Smart Controls e integrazione Grid

I microcontroller e i sensori IoT consentono ai VAWT di regolare in tempo reale l'intonazione, la frenata e l'elettronica di potenza, in base alle condizioni del vento e alla domanda della griglia. Alcuni sistemi possono scaricare energia in eccesso nei riscaldatori o nelle banche della batteria, massimizzando l'autoconsumo.

Studi sui casi e applicazioni reali

Diversi impianti illustrano le potenzialità e le limitazioni dei VAWT urbani.

Studio di cassa 1: L'Array di Dublino.[ Nel 2019, il Consiglio di Dublino commissionò una prova di cinque VAWT H-rotor sul tetto di un edificio municipale. Nel corso di due anni, le turbine hanno generato una media di 4.200 kWh per unità all'anno, sufficiente per alimentare l'illuminazione e gli impianti di illuminazione comuni.

Studio di cassa 2: Turbine Portuali di Copenhagen. Lungo il lungomare di Copenhagen, una fila di VAWT elicoilici del produttore Windspire (ora Envergate) è stata installata su un molo. Progettato con un punteggio di 1 kW ciascuno, forniscono energia per un piccolo complesso di vendita al dettaglio e punti caldi Wi-Fi pubblici.

Studio di cassa 3: Microgriglia Rooftop di Tokyo. Un edificio per uffici di Tokyo ha riadattato il suo tetto con sei VAWTs ibridi Savonius-Darrieus accanto a 50 kW di fotovoltaico solare. Il sistema combinato incontra il 12% del consumo annuale di energia elettrica dell'edificio, con le turbine che contribuiscono circa un terzo di quello.

Il ruolo dei VAWT nelle città intelligenti future

Le città adottano obiettivi di sostenibilità ambiziosi, i VAWT offrono una nicchia unica: generazione distribuita che utilizza uno spazio verticale sottoutilizzato. Integrano pannelli solari (che producono poca energia di notte o di inverno) e possono essere integrati con l'archiviazione della batteria per creare microgriglie che migliorano la resilienza durante le interruzioni della rete.

Il sostegno alle politiche è in crescita. Diversi paesi europei offrono tariffe di alimentazione o sovvenzioni di capitale per piccole installazioni eoliche nelle zone urbane. Gli Stati Uniti seguono, con programmi come il programma Energetico Rurale per l'America (REAP) ora aperto a progetti urbani di piccole eoliche. La standardizzazione attraverso organismi come la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) sta producendo i piani di performance e sicurezza su misura per VAWTs.

Conclusioni

Le turbine eoliche a asse verticale non sono una panacea per le sfide dell'energia urbana, ma rappresentano uno strumento pratico e in evoluzione nel kit di strumenti per l'energia rinnovabile. La loro capacità di catturare energia da venti turbolenti, impronte compatte, basso rumore e flessibilità estetica li rendono unici per gli ambienti urbani che avrebbero sconfitto le tradizionali macchine a assi orizzontali.