IL KITE WIND GENERATOR

Il kite wind generator è un nuovo sistema di produzione d'energia il quale sfrutta il vento ad alta quota, questo nuovo sistema permette di catturare maggiore quantità di vento, l'area che va ad intercettare non e limitata dalle dimensioni delle pale come avviene con i tradizionali aerogeneratori ma è notevolmente più ampia.

Il vento viene catturandolo tramite batterie di profili alari (kites) pilotati automaticamente che azionano un dispositivo di conversione energetica posto al suolo.

Il progetto è ancora in fase di sviluppo ma i risultati ottenuti dal primo prototipo (mobilgen) evidenziano la fattibilità del progetto.

MOBILGEN

Il mobilgen è il prototipo di kite wind generator, costruito nel 2006, attualmente funzionante con una potenza di 40 kW di picco, esso è composto da un profilo alare di potenza connesso a una piattaforma base mediante due funi.

In corrispondenza di tale piattaforma, ciascuna fune è avvolta su un verricello che aziona, attraverso un riduttore, un generatore che funge anche da motore. In corrispondenza di ciascun verricello vi è un modulo di guida che obbliga la fune ad un avvolgimento ordinato sul verricello e una serie di bozzelli[1] che guidano la fune verso il profilo alare.

Il kite è manovrato srotolando e riavvolgendo le funi sui verricelli.

La base del dispositivo è composta dunque dalla piattaforma su cui sono montati i verricelli, i generatori/motori e un sistema di controllo intelligente che provvede a manovrare il kite.

Principio di funzionamento

Il processo di conversione energetica messo in atto dal MobileGen è una procedura intermittente che può essere scomposta in tre fasi.

Durante la prima fase il vento solleva il kite mettendo in tensione le funi di connessione alla piattaforma base. Questa trazione è convertita in rotazione a livello dei verricelli e trasmessa per mezzo del riduttore al generatore ove, vincendo la coppia di forze da esso opposta, avviene la produzione di energia elettrica. Il percorso di volo del profilo alare durante questa fase è tale per cui sia massima l'energia meccanica che è possibile sottrarre al vento. In particolare, il sistema di controllo intelligente manovra il kite in modo da sfruttare la lift force, ossia la componente della forza perpendicolare alla velocità del vento. In tal modo il profilo ascende continuando a spazzolare la superficie del fronte vento.

La seconda fase del processo consiste nella manovra automatica del kite in modo da raggiungere una posizione di quasi stallo in corrispondenza della quale la spinta eolica è scarsa.

Durante la terza fase del processo avviene il riavvolgimento delle funi sui verricelli per mezzo dei generatori che fungono anche da motori. Le funi sono riavvolte con un minimo consumo energetico circa il 10% di quella prodotta, terminato il recupero delle funi, il kite è posizionato in modo da tornare in una condizione di massima trazione. A questo punto, il ciclo si ripete.

Sensori

Il SeTAC (TRIAXIAL ACCELERATION COMPUTER) è un sensore che permette di monitorare l'accelerazione triassiale, esso elabora i dati al suo interno grazie a un microprocesso e fornisce in uscita una serie di segnali, i quali in modalità wireless, vengono inviati al sistema di controllo a terra.

Il sistema integra queste informazioni con i dati provenienti dalla sensoristica di terra (ad esempio il valore del carico delle funi determinato dalla lettura della coppia del motore) ed effettua elaborazioni per manovrare automaticamente il kite durante l'intero ciclo di funzionamento.

Manovra del kite

La manovra del profilo alare avviene regolando lo srotolamento e il riavvolgimento delle funi sugli stessi verricelli tramite i quali si ha produzione di energia.

Le funi che connettono il kite alla piattaforma base sono dunque sia funi di potenza che funi di manovra.

La generazione di energia dipende esclusivamente dal senso di rotazione dei tamburi dei verricelli:

• si ha produzione di elettricità quando la rotazione dei tamburi è determinata dalle funi e aziona i generatori.
• si ha consumo di energia quando la rotazione dei tamburi è determinata dai motori e consente il riavvolgimento delle funi.

La manovra del profilo alare dipende sia dal senso che dalla velocità di rotazione dei tamburi dei verricelli.

Il kite è infatti manovrato modificando in modo opportuno l'angolo di attacco del vento. Tale angolo dipende dalla posizione relativa del kite rispetto alla velocità del vento e dunque dalla lunghezza di ciascuno dei due tratti di fune srotolata.

Se, ad esempio, per far assumere al profilo alare una determinata inclinazione bisogna accorciare un tratto di fune srotolato rispetto all'altro, per ottenere tale risultato bisognerà accelerare o rallentare la rotazione di un tamburo rispetto all'altro.  

Senza dunque compromettere la generazione di energia o il recupero del kite, la manovra del profilo alare avviene differenziando la velocità di rotazione dei due verricelli.

Sistema di controllo

Il sistema di controllo è il sistema mediante il quale il kite è manovrato esso acquisisce le informazioni  dai sensori per comandare il funzionamento dei generatori/motori e di conseguenza le funi collegate al kite.

Eventi improvvisi

Il sistema di controllo deve riconoscere e far fronte con la massima tempestività a eventi

improvvisi quali colpi di vento e cadute di carico. In caso di colpi di vento, il sistema di controllo interviene riducendo la tensione delle funi per evitare che il carico eccessivo danneggi il dispositivo.

Ciò avviene azionando i verricelli in modo da consentire un rapido srotolamento delle funi. Le diminuzioni improvvise di carico vanno evitate in quanto una scarsa tensione sulle funi fa precipitare il kite senza possibilità di manovra.  

In caso si verifichi una diminuzione di carico, il sistema di controllo intelligente interviene accelerando la rotazione dei verricelli (nel caso in cui l'evento si verifichi durante il riavvolgimento) oppure invertendone il senso di rotazione (se la caduta di carico ha luogo durante lo srotolamento). In tal modo, il controllo del profilo alare è recuperato.

Le funi

Le funi sono costituite da una fibra capace di reggere trazioni di 30 ton/cm2 aventi un peso  specifico inferiore a quello dell'acqua e un diametro da 6 a 30 millimetri.
Sono rivestite da una calza in Teflon che garantisce la resistenza agli UV e li protegge da possibili abrasioni.

LA CENTRALE KITE WIND GENERATOR

La centrale è composta da più unità di manovra trainate dai profili alari lungo un  percorso circolare ad anello posto a livello del suolo.
Il moto dell'anello mobile ovvero del convoglio subisce la trazione verso l'alto da parte dei kite quindi avrà le ruote sotto la rotaia fissa.
L'anello mobile trasmette il moto a dei generatori elettrici ancorati al suolo.
Per una equa distribuzione delle forze si possono usare più generatori elettrici a distanze regolari che sfruttano il moto dell'anello dotato di cremagliera .
La giostra viene messa in rotazione grazie al vento, che trascina in quota i profili alari uscenti dai bracci stessi.
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 l'anello.
Il tutto è gestito dal software che senza intervento umano, sulla base di dati ricevuti dai sensori a bordo dei profili alari, interviene sui cavi. In questo modo le traiettorie di volo possono essere controllate, sincronizzate fra di loro e dirette alla massima produzione di energia. Con tale configurazione le centrali Kite Gen sono in grado di intercettare grandissime quantità di vento in quota in una unica installazione.

Nell'illustrazione è rappresentato il fronte vento intercettato da un impianto con un percorso circolare del diametro di 800 m; la stessa quantità viene raggiunta con circa 150 torri eoliche di ultima generazione.

Da notare che le torri eoliche hanno bisogno di essere distanziate l'una dall'altra per evitare che interferiscano fra di loro diminuendo la resa totale e occuperebbero quindi un'area a terra totale di più di 40 Km². La centrale Kite Gen, compresa una fascia di rispetto tutt'attorno, occupa circa 5 Km².

Zone adatte alla costruzione

Il KiteGen può essere installato ovunque anche se la meteorologia e la scelta del sito sono parametri da tenere in considerazione e un sito ventoso è naturalmente più congeniale.
L'area di cielo occupata deve essere dichiarata no-fly zone[4] di circa un chilometro e mezzo di altezza per cinque di ampiezza, l'area di terreno occupata verrebbe comunque lasciata in gran parte disponibile per l'agricoltura o la navigazione (se offshore).
Sfruttando il fatto che gli aquiloni per loro natura non hanno inerzia quindi possono cambiare direzione anche repentinamente, è sufficiente un piccolo radar per comunicare agli aquiloni di spostarsi durante il passaggio di uno stormo o di un aereo ultraleggero che violasse la no-fly zone.

Potenza generata

Kite Gen è una macchina che produce energia in modo proporzionale alla sua dimensione.

L'incremento di diametro incide sull'energia che il sistema riesce a raccogliere con una funzione quadratica, incrementata ulteriormente dalla maggiore quota, e quindi maggiore forza del vento, che i power kites possono raggiungere.
 

La dimensione massima raggiungibile da un Kite Wind Generator è oggetto di studio, ma da delle prime stime sembra possibile superare i 5.000MW senza incorrere in gravi problemi di resistenza strutturale e con un diametro complessivo di poco superiore ai 2.000 metri.

Impatto ambientale

I metodi di generazione di energia dal vento sono nel loro insieme una forma di tecnologia 'pulita', con zero emissioni di CO2, di altri gas serra, di cenere e di particolati[5].

L'impatto ambientale deve poi essere analizzato non solo su una scala globale, ma anche in relazione alle localizzazione dei singoli impianti, dove entrano in gioco anche altri fattori.

Impatto visivo e scenico

La parte aerea, volando i profili alari di potenza a quote di 800 / 1 000 metri ancorati a cavi di ridottissimo diametro, è molto meno visibile rispetto alle attuali torri eoliche.
I sistemi a terra sono concentrati lungo il percorso circolare, mentre la maggior parte dello spazio occupato è sfruttabile per attività agricole.
L'impatto visivo è mitigabile con opportune attività di progettazione architettonica; va comunque notato che a parità di potenza installata l'occupazione di territorio è inferiore a quella dell'eolico tradizionale, con la possibilità di concentrare poche grandi installazioni di elevata potenza.

Curiosità

L'Ente di controllo americano che monitorizza gli uragani sta valutando l'idea di utilizzarlo per contrastare la tempesta o per spostarla in aree lontane dai centri abitati, mente l'Esa (Agenzia spaziale europea) pensa a impiegarlo quale fonte energetica per le missioni su Marte.

La zona che potrebbe ospitare il primo Kite Gen é quella della vecchia centrale nucleare di Trino Vercellese (VC).