La turbina eolica di Siemens che si ispira ai dinosauri


Nel 1999 gli esperti Siemens hanno iniziato a sperimentare il montaggio di flap seghettati sulla propria turbina da 600 kW installata a Drantum, vicino a Brande, in Danimarca. L’esperimento aveva lo scopo di capire se i flap seghettati – utilizzati sugli aerei – avrebbero consentito di diminuire le emissioni sonore delle pale. I risultati furono convincenti: il livello massimo di rumore diminuì di 1÷2 dB! Inoltre, la curva di potenza mostrò un miglioramento significativo. Questo è l’inizio della storia di DinoTails. Gli add-on aerodinamici permettono importanti benefici consentendo di massimizzare sia le performance aerodinamiche sia la robustezza.

Sollevare e trascinare

Tutti gli oggetti in movimento nell’aria sono soggetti a forze aerodinamiche. La pressione e la frizione su una pala danno come risultato una forza che farà muovere la pala. In aerodinamica, spesso la forza risultante viene suddivisa in due componenti: sollevare e trascinare. La forza che solleva è perpendicolare alla direzione di flusso, mentre il componente che trascina è parallelo alla direzione di flusso.

Per capire l’impatto delle forze si può provare a mettere una mano fuori dal finestrino di un’auto in movimento. Con il palmo rivolto verso il basso ed il pollice puntato in avanti, sentirete una forza che spinge indietro la vostra mano (in parallelo alla direzione di flusso del vento): questa è la forza che trascina. Ruotate la mano leggermente in una direzione che vi consenta di puntare l’indice in su e subito avvertirete una forza che spingerà la vostra mano verso l’alto: questa è la forza che solleva. Su una pala di una turbina eolica, la forza che solleva è quella che fa ruotare la turbina, mentre l’energia cinetica nel vento può essere tramutata in energia rotatoria nel sistema di trasmissione e infine convertita in energia elettrica dal generatore. Come ultima cosa, ruotate ulteriormente la vostra mano con il palmo che fronteggia il vento di piatto, perpendicolare al suolo ed il pollice verso l’alto e subito avvertirete una forza potente che spinge la vostra mano all’indietro. Il trascinamento della mano è maggiore rispetto a prima, mentre la forza che solleva non viene quasi avvertita. Poiché il trascinamento spinge in modo opposto rispetto alla direzione rotazionale della turbina eolica, risulterà in una perdita di energia che gli ingegneri hanno lo scopo di minimizzare.

DinoTails

DinoTails sono flap seghettati, che prendono il nome dalle pinne della coda dello stegosauro, alle quali assomigliano. Le DinoTails seghettate alterano la formazione del vortice sul bordo posteriore della sezione della pala locale e rendono la pala più ferma.  Possono essere progettate anche con un flap che consente di aumentare la forza che solleva e di mantenere minime emissioni acustiche allo stesso tempo. Le DinoTails vengono applicate sia alle versioni di turbine a basso impatto acustico che nei kit per l’upgrade della curva di potenza (Power Curve Upgrade Kits). Le DinoTails sono collocate vicino alla punta della pala, la parte più rumorosa a causa dell’alta velocità raggiunta. Inoltre, questa è la parte della pala che vale maggior produzione di energia.

DinoShells

Anche le DinoShells appartengono alla famiglia dei dispositivi per aumentare la forza che solleva. Il loro nome è stato studiato per sottolineare la stretta connessione con le DinoTails. Le DinoShells sono una combinazione di un flap Gurney – noto nel mondo delle macchine da corsa – e un comune flap con una struttura coprente a conchiglia. Le DinoShells sono superfici fisse di controllo attaccate o vicino al bordo posteriore della superficie della pala: danno alla pala un effetto “spoiler” aumentando, così, la forza di sollevamento. Il flap Gurney si chiama così in onore di Dan Gurney, che applicò il dispositivo alla sezione posteriore di una macchina da corsa nei primi anni ’70. La sua idea era quella di aumentare la forza di deportanza, e quindi la manovrabilità, senza aumentare le dimensioni degli alettoni posteriori.  Sulle turbine Siemens le DinoShells sono utilizzate per aumentare la forza che solleva, soprattutto sulla parte più spessa della pala, vicino alla torre. Poiché i flap Gurney introducono spesso un aumento relativamente alto nel trascinamento, essi sono applicabili soltanto in aree specifiche: dove la forza di sollevamento ha un impatto elevato e la velocità della sezione relativa è bassa. Entrambe le condizioni sono tipiche delle passate generazioni di pale Siemens. Le DinoShells vengono usate soprattutto nei kit per l’upgrade delle curve di potenza (Power Curve Upgrade Kits).

Vortex Generators

I Vortex Generators (VG’s) sono turbolatori aerodinamici. I turbolatori sono progettati per migliorare il flusso dell’aria sulle pale delle turbine, aumentando il mix al livello cosiddetto limite: l’area di flusso molto vicino alla superficie della pala. Qui la velocità di flusso varia da zero ad circa 300 km/h su una distanza che va da millimetri a centimetri. Il flusso a livello limite viene definito “attaccato” se il locale flusso d’aria segue la superficie della pala. Il flusso viene definito “separato” quando inizia ad abbandonare la superficie. La separazione del flusso non è una condizione voluta, poiché le pale perdono aerodinamicità e quindi energia. I Vortex Generators migliorano il flusso dell’aria sulle pale. Queste palette triangolari neutralizzano la forma non aerodinamica di alcune parti della pala. Migliorando il mix del livello limite tramite l’uso dei turbulatori, l’aria ricca di energia proveniente dall’esterno del livello limite aumenta la velocità e la separazione del flusso può essere minimizzata o completamente rimossa. Siemens usa i Vortex Generators per aumentare le prestazioni aerodinamiche, organizzandoli in coppie di palette triangolari. I Vortex Generators vengono montati sulla parte di pala vicino alla torre che, per ragioni strutturali, non ha una forma ottima dal punto di vista aerodinamico. Le restrizioni di trasporto, inoltre, causano limitazioni dell’ampiezza massima della pala. I Vortex Generators sono quindi in grado di aumentare le performance aerodinamiche di questa parte della pala.

www.siemens.com

 

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