New Wind Arbre a Vent, il generatore eolico che copia la natura

LA VERIFICA DI INTERFERENZA AERODINAMICA – Il numero di 63 foglie era il massimo calcolato sulla base di due assunti:
– L’influenza di un gruppo di foglie in rapporto a quella di una singola foglia è stata calcolata per dare l’influenza totale sulla foglia di riferimento;
– L’influenza di due foglie l’una sull’altra non dipende da dove sono collocate.

Queste supposizioni dovevano essere validate dall’analisi fluidodinamica prima di poter procedere alla realizzazione delle 63 unità. Se il movimento di una foglia colpita dal vento avesse diminuito sull’efficienza di un’altra foglia, ciò avrebbe impattato il rendimento complessivo della struttura. L’interazione tra le singole foglie doveva essere minimizzata. Il team aerodinamico ha utilizzato ANSYS Fluent CFD per calcolare il flusso del vento attorno alle foglie in condizioni di velocità e direzione diverse. Queste simulazioni sono state impiegate per validare i risultati sperimentali di due foglie nella galleria del vento. I risultati hanno confermato quelli ottenuti in precedenza e la CFD ha dimostrato che nessuna foglia impattava sulle altre adiacenti. Inoltre, la simulazione su 3 foglie ha dimostrato che le singole influenze possono essere sommate. Quindi 63 era un numero valido.
Infine, gli ingegneri hanno performato simulazioni tridimensionali per misurare il coefficiente di potenza che è il rapporto tra la potenza attuale estraibile dalla turbina eolica di un particolare design sulla potenza totale disponibile. Per il design a foglia ellittica il coefficiente di potenza era del 20%. Il calcolo di questo valore dipende dal rapporto tra la velocità della foglia in rotazione e quella del vento. Queste due grandezze sono particolarmente importanti per la progettazione elettromagnetica dell’albero eolico.

LA SIMULAZIONE ELETTROMAGNETICA – Ogni foglia della struttura presenta un generatore elettrico alla propria base che comprende 16 magneti accoppiati sul rotore, i quali si muovono su una PCB insieme alla foglia. I due elementi insieme producono una potenza trifase proporzionale alla velocità di rotazione della turbina e del campo magnetico. Gli ingegneri di New Wind hanno scelto ANSYS Maxwell per simulare il comportamento del generatore e per definire le dimensioni dei componenti quali lo spessore del magnete, il materiale da utilizzare e l’ampiezza del cuscinetto d’aria. È stata realizzata una simulazione tridimensionale di campo magnetico statico per determinare il campo magnetico nel cuscinetto d’aria. Una simulazione, invece, dinamica, è stata fatta per prevedere i parametri di generazione di potenza quali corrente indotta e tensione.
Ogni foglia genera la corrente alternata che viene trasformata in continua (DC). Un micro dispositivo alla base della foglia controlla la corrente generata da ogni piccola turbina. Per ogni foglia c’è un rapporto ottimale tra la velocità di rotazione e quella del vento. Per estrarre la massima energia possibile, il 20%, dalla foglia, è importante che questa ruoti ad una velocità in grado di produrre questo rapporto ideale. Il dispositivo di controllo regola la velocità di rotazione della foglia per il raggiungimento della percentuale desiderata ogni volta.

LA SIMULAZIONE DEL TRONCO E DEI RAMI – Le simulazioni condotte con ANSYS Fluent e Mechanical sulla foglia sono state necessarie anche per la progettazione della struttura in acciaio dell’albero. Simulazioni strutturali statiche hanno permesso di determinare il carico statico sulle 63 turbine, progettando ognuna di esse come punto con un valore di massa assegnato. Il design della struttura è stato estratto da un disegno CAD. Allocando le masse e le forze che agiscono su ciascuna turbina, queste simulazioni hanno confermato che il livello di stress era contenuto in limiti accettabili in ogni punto dell’albero.

RENDERE CHIC L’ENERGIA EOLICA – Grazie all’aiuto di ANSYS Fluent, ANSYS Mechanical e ANSYS Maxwell, gli ingegneri di New Wind sono stati in grado di progettare e prevedere il comportamento dell’intero sistema dal punto di vista aerodinamico, strutturale ed elettromagnetico, così come l’ideatore di questa soluzione aveva immaginato anni prima.
Il primo prototipo dell’albero è stato “piantato” nel 2015 a Bourget e in seguito un albero è stato collocato a Roland Garros, dove si svolgono i tornei Open di tennis. Il riscontro ottenuto è stato molto positivo, molte municipalità hanno espresso interesse verso questa struttura. I progettisti New Wind sono tuttora impegnati nel migliorare sempre più, grazie alla simulazione, le prestazioni dell’albero eolico. Questo dispositivo non sostituirà gli impianti di larga scala per la generazione di energia eolica, ma ha come obiettivo quello di cambiare l’immagine di questa fonte rinnovabile in generale, presentandola come una struttura gradevole e a dimensione umana.