Introduzione: Perché le città hanno bisogno di energia eolica

I centri urbani consumano oltre due terzi dell'energia globale e producono una quota corrispondente delle emissioni di carbonio. Come le città si impegnano a obiettivi netti-zero e mandati energetici rinnovabili, la ricerca di tecnologie di generazione decentrate e appropriate al sito si è intensificata. I pannelli solari sui tetti sono diventati luoghi comuni, ma l'energia eolica rimane sottoutilizzata in ambienti urbani densi.

A differenza delle turbine a tre lame orizzontali che dominano le fattorie eoliche in ambienti rurali e offshore, i VAWT presentano una filosofia ingegneristica completamente diversa. Il loro albero verticale del rotore consente loro di accettare il vento da qualsiasi direzione senza meccanismi di yaw, e il loro design compatto e spesso visivamente più basso profilo può essere integrato in architettura edile piuttosto che richiede installazioni ampie e separate.

Quali sono le turbine eoliche a asse verticale?

Una turbina eolica verticale dell'asse è un convertitore di energia eolica in cui l'albero principale del rotore è orientato verticalmente, perpendicolare al suolo. Questa configurazione significa che le lame rotanti spazzano un piano verticale, e il generatore, cambio, e altri componenti della trasmissione-formazione possono essere posizionati a livello del suolo o alla base della struttura, piuttosto che in una nacelle nella parte superiore di una torre.

I VAWT hanno una storia più lunga di quanto molti si rendano conto. Le prime turbine eoliche conosciute, come i mulini a vento persiani del 9 ° secolo, erano macchine ad assi verticali utilizzate per la macinazione del grano. Nell'era moderna, la ricerca in VAWTs accelerata durante gli anni '70 e '80 come parte di più ampia esplorazione di energia rinnovabile.

Variazioni chiave di progettazione

I VAWT moderni cadono in due categorie principali basate sul principio aerodinamico che usano per generare coppia:

  • Le turbine di Darrieus:] Denominato dopo l'inventore francese Georges Darrieus, queste turbine usano le forze di sollevamento generate da lame a forma di airfoil. Il classico disegno di Darrieus assomiglia ad un uovobeater o ad un cerchio curvo, ma le varianti includono disegni di H-rotor lacristieri (chiati anche Giromills) e configurazioni helical-blate che riducono la velocità di rotazione.
  • Tubi aerodinamiche: Questi sono dispositivi a base di trascinamento, tipicamente costruiti da due o tre scoop disposti in un S-shape. Le turbine Savonius producono una coppia di partenza elevata, operano bene a basse velocità di vento, e sono meccanicamente semplici e robuste. La loro efficienza è inferiore ai disegni di Darrieus, ma eccelle nella configurazione turbolenta, in condizioni a vento variabili e sono spesso ibri e sono
  • I disegni di Hybrid e novelli:[ Molti produttori contemporanei combinano elementi di entrambi i disegni di sollevamento e trascinamento, o incorporano caratteristiche come le lame elicoi, il passo variabile, o la deviazione per migliorare le prestazioni, ridurre il rumore, o migliorare l'integrità strutturale.

Come VAWTs Differenza dalle turbine di asse orizzontale

La differenza fondamentale tra VAWT e le turbine eoliche a asse orizzontale più comuni (HAWTs) è nell'orientamento dell'asse del rotore, che sembra semplice si verifica in una gamma di distinzioni operative e pratiche:

  • Accettazione del vino:[] HAWTs deve sbavare per affrontare la direzione del vento; VAWTs accettano vento da qualsiasi direzione senza regolazione. In ambienti urbani dove la direzione del vento cambia rapidamente a causa di effetti di costruzione di sveglia e canalizzazione, questo elimina le perdite di energia e l'usura meccanica associata a frequenti correzioni di yaw.
  • Inserimento completo:[ HAWTs posizionare il generatore, cambio e altri componenti pesanti in una nacelle nella parte superiore della torre, richiedendo l'accesso alla gru per la manutenzione.
  • Caricatura strutturale:[ I HAWT sperimentano il carico ciclico indotto a gravità sulle lame mentre ruotano attraverso il piano verticale, che contribuisce alla fatica. Le lame VAWT, ruotando in un piano orizzontale, non sperimentano questo ciclo di gravità allo stesso modo, anche se fanno il carico aerodinamico periodico mentre ogni lama passa attraverso diverse condizioni del vento durante la rotazione.
  • Profilo rumore:[ I VAWT funzionano generalmente a bassi rapporti di punta-velocità rispetto ai HAWT, il che significa che i consigli della lama si muovono più lentamente attraverso l'aria.
  • L'impatto vitale:[ I VAWT sono spesso più brevi e compatti di HAWT di capacità equivalente. La loro forma verticale può essere percepita come meno invadente, e alcuni progetti architettonici li integrano in facciate edili o elementi strutturali.

Vantaggi dei VAWT in Impostazioni Urbane

Le caratteristiche dei VAWT si allineano con diverse esigenze specifiche degli ambienti urbani, rendendoli particolarmente attraenti per la generazione distribuita nelle città.

Catturatore del vento omnidirezionale

Gli edifici creano turbolenze, canalizzazioni e spostamenti direzionali che possono accadere in pochi secondi. Una turbina che deve sbavare per monitorare il vento si lacererà dietro questi cambiamenti, o sbavando più lentamente rispetto ai cambiamenti del vento o che necessita di sbavare rapidamente, consumando energia e aumentando l'usura meccanica.

Design compatto e spazio-efficienza

I VAWT hanno una superficie più piccola per unità di capacità installata rispetto ai HAWT, e il loro orientamento verticale significa che occupano un'impronta più piccola del terreno. Molti VAWT possono essere montati direttamente sulle strutture del tetto senza richiedere i sistemi di fondazione estesi tipici delle turbine a torre.

Operazione silenziosa

Il rumore della turbina eolica ha due componenti: rumore meccanico dalla trasmissione (gearbox, generatore, ventilatori) e rumore aerodinamico dalle lame che si muovono attraverso l'aria. VAWTs affrontano favorevolmente entrambe le fonti. Poiché il generatore e il cambio possono essere situati a livello di terra e potenzialmente isolati dalla struttura, la trasmissione meccanica del rumore negli spazi occupati è ridotta.

Manutenzione semplificata

L'accessibilità dei componenti di trasmissione a livello o vicino al suolo è un vantaggio operativo significativo. Per HAWTs, ogni operazione di servizio importante richiede una gru o salire la torre, entrambi costosi e portare rischi di sicurezza. La manutenzione VAWT può essere spesso eseguita da un tecnico che sta sul tetto o alla base della struttura, utilizzando strumenti standard e senza pesanti attrezzature di sollevamento.

Miglioramento della sicurezza per la fauna selvatica

Gli uccelli e i pipistrelli con le pale eoliche sono una preoccupazione per qualsiasi progetto di energia eolica, soprattutto nelle aree urbane e peri-urbane in cui i corridoi della fauna selvatica possono intersecare con le zone sviluppate. HAWTs, con la loro grande area spazzata e le alte velocità della punta, pongono un rischio di collisione che è stato ben documentato.

Sfide e considerazioni per il dispiegamento urbano VAWT

Nonostante i loro vantaggi, i VAWT non sono una soluzione universale per l'energia eolica urbana.

Turbulence e modelli eolici nelle città

Lo stesso ambiente eolico turbolento che i VAWT gestiscono più con grazia di quanto non impongano sanzioni. La turbolenza riduce l'efficienza di qualsiasi turbina eolica, perché causa carichi fluttuanti e costringe la turbina a operare lontano dal suo rapporto ottimale di punta-velocità più frequentemente.

Produzione e efficienza energetica

I VAWT hanno in genere un coefficiente di potenza inferiore (la frazione di energia cinetica convertita in energia meccanica) rispetto a HAWT di dimensioni equivalenti. La massima efficienza teorica di qualsiasi turbina eolica è il limite Betz del 59,3%.

Constrati strutturali e di installazione

Il montaggio di un VAWT su un edificio introduce carichi strutturali che l'edificio deve ospitare. Questi includono carichi statici (il peso della turbina e la sua struttura di supporto), carichi dinamici (vibrazioni e forze trasmesse durante il funzionamento), e effetti risonanti (se la frequenza di rotazione della turbina coincide con la frequenza naturale dell'edificio).

Fattori economici e periodi di rimborso

L'economia degli impianti VAWT urbani è impegnativa. Il costo per chilowatt di capacità installata per VAWTs è generalmente superiore a quello per i siti di resistenza simile, in parte perché la produzione di VAWT non ha beneficiato delle stesse economie di scala. I costi di manutenzione possono essere inferiori, ma il reddito della generazione di elettricità è anche inferiore a causa dei fattori di capacità più piccole e più bassi tipici del vento urbano.

Regolazione e permissione di ostacoli

I codici di costruzione non possono avere disposizioni specifiche per le turbine eoliche, che richiedono agli sviluppatori di progetti di lavorare attraverso processi di variazione o affidarsi a giudizi ingegneristici che possono essere dispendiosi e costosi.

Applicazioni reali e studi di casi

Nonostante le sfide, i VAWT sono stati implementati in ambienti urbani in tutto il mondo, fornendo dati e lezioni preziose per le future installazioni.

Un esempio notevole è la distribuzione di turbine eoliche Darrieus sul tetto del Bahrain World Trade Center, che è stata una delle prime integrazioni su larga scala delle turbine eoliche in un edificio commerciale. Mentre quel progetto ha usato turbine a assi orizzontali, ha dimostrato la fattibilità di edifici a vento integrato ed è più recentemente apparso su torri residenziali in Europa, su pali di illuminazione stradale in Giappone, e su edifici industriali della città.

Un caso di utilizzo particolarmente interessante è l'integrazione di VAWT con sistemi fotovoltaici solari sullo stesso tetto. I profili di generazione complementare del solare (peak durante il giorno, l'estate) e del vento (spesso picco di notte e in inverno) possono appiattire la curva di generazione aggregata, riducendo la necessità di stoccaggio della batteria aumentando la percentuale di carico in loco che viene soddisfatta da generazione rinnovabile.

Un'altra applicazione emergente è l'uso di VAWT per torri di telecomunicazione off-grid, stazioni di monitoraggio remoto e sistemi di alimentazione di emergenza. In queste applicazioni, l'affidabilità del vento cattura da qualsiasi direzione, unita alla capacità di operare a basse velocità di vento, può essere più importante dell'efficienza di picco. Le turbine possono essere impiegate in luoghi dove la connessione a rete è impraticabile o proibitivamente costosa, e i loro bassi requisiti di manutenzione li rendono adatti per un non.

Risorsa esterna:[] L'Ufficio delle tecnologie eoliche dell'energia eolica degli Stati Uniti fornisce una panoramica utile delle tecnologie eoliche distribuite, tra cui VAWT, a energy.gov/eere/wind/distributed-wind.

Il futuro dell'energia eolica urbana con VAWTs

La traiettoria per i VAWT negli ambienti urbani è caratterizzata da una continua ricerca, innovazione tecnologica e da un'evoluzione dei quadri politici, che puntano a una maggiore redditività e adozione.

Innovazioni tecnologiche

I progressi della scienza dei materiali, compreso l'uso di compositi in fibra di carbonio e leghe leggere, stanno riducendo il peso e il costo delle lame VAWT, migliorando la loro resistenza alla fatica.La produzione aggiuntiva (3D stampa) è in fase di esplorazione per la produzione di geometrie complesse della lama che ottimizzano le prestazioni aerodinamiche per i regimi eolici specifici.

Risorsa esterna:[] Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha pubblicato ricerche sulla modellazione e l'ottimizzazione aerodinamica VAWT, disponibile a nrel.gov/wind].

Integrazione con Smart Grids e sistemi di costruzione

Gli edifici diventano più intelligenti e più connessi, i VAWT possono essere integrati nei sistemi di gestione dell'energia (BEMS) che ottimizzano la generazione, lo stoccaggio e il consumo in tempo reale. Un VAWT tetto combinato con pannelli solari, l'archiviazione della batteria e una stazione di ricarica EV può funzionare come microgrid, fornendo energia durante le interruzioni della rete, riducendo le spese di richiesta e supportando i servizi di rete.

Supporto politico e pianificazione urbana

Le politiche comuni e nazionali possono influenzare significativamente l'adozione dell'energia eolica urbana. Le tariffe di alimentazione, i crediti fiscali e le sovvenzioni per i sistemi di energia rinnovabile distribuiti possono migliorare l'economia degli impianti VAWT.

Risorsa esterna:[] Il partenariato per la protezione ambientale dell'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti fornisce indicazioni sugli appalti di energia rinnovabile, incluso il vento distribuito, epa.gov/greenpower[].

Conclusioni

Le turbine eoliche verticali Axis offrono una serie unica di funzionalità che si allineano ai vincoli e alle opportunità degli ambienti urbani. La loro cattura omnidirezionale del vento, l'impronta compatta, il funzionamento silenzioso e la manutenzione accessibile li rendono un'opzione valida per le generazioni rinnovabili in loco nelle città in cui le turbine orizzontali convenzionali non possono essere utilizzate.

Per i progettisti urbani, i proprietari di edifici e i professionisti della sostenibilità, i VAWT meritano di essere considerati come parte di un portafoglio di energia rinnovabile diversificato che comprende misure di solare, stoccaggio e efficienza energetica. Poiché la tecnologia continua a maturare e l'ambiente politico diventa più solidale, le basi VAWTs possono svolgere un ruolo crescente nelle scelte decentralizzate, resilienti e di bassa carbonio delle città future.

Risorsa esterna:[] L'Associazione Mondiale dell'Energia Eolica pubblica statistiche di mercato e rapporti su piccoli venti e venti urbani wwindea.org]].