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

New Wind ha creato una fonte di energia alternativa esteticamente piacevole per l’arredo urbano, in grado di avvicinare più persone al tema della produzione di energia.
Stiamo parlando di un generatore di energia eolica a forma di albero con rami metallici e foglie in plastica.
L’Arbre a Vent è alto 10 metri ed ha una fronda di 7,5 metri fatta di turbine eoliche con un tronco in acciaio che sorregge 63 “foglie” in materiale plastico chiamate Aeroleafs. Queste speciali foglie catturano il vento e ne trasferiscono l’energia attraverso un generatore ed un microcontrollore alla base di ciascuna foglia. Ogni albero può generare 3 kW di potenza immediata, circa 1900 kW all’anno.

Durante i tre anni di ricerca e sviluppo, Michaud-Lariviere (scrittore e non ingegnere) mantenne il controllo artistico del progetto, anche se ogni scelta estetica doveva essere vagliata rispetto ai requisiti scientifici. L’ideatore ha coinvolto un team di ingegneri per la risoluzione delle problematiche tecniche e per realizzare concretamente quell’ispirazione avuta tempo prima passeggiando in un parco. Le strutture eoliche hanno delle caratteristiche di progettazione trasversali a molte discipline, quali carico del vento, durabilità, generatori elettronici e sistemi di controllo. I software ANSYS per l’elettronica, la fluidodinamica e la meccanica hanno giocato un ruolo decisivo nella risoluzione dei vari requisiti multifisici.

PROGETTARE L’ALBERO DEL VENTO – Le sfide per gli ingegneri sono molte: ogni foglia artificiale deve catturare il vento disponibile con la massima efficienza e quindi le dimensioni e la loro forma sono decisive. È stato importante anche determinare il numero ottimale di foglie sull’albero, una volta stabilite le dimensioni, e la loro distribuzione nello spazio tridimensionale della fronda. Le foglie devono essere posizionate in modo da catturare il vento che arriva da diverse direzioni senza interferire tra loro. La progettazione di una piccola stazione alla base di ciascuna foglia in modo che la rotazione generata dai flussi d’aria vengano trasformati in elettricità ha richiesto una serie di magneti e di PCB che portano con sé parecchie sfide ingegneristiche. Inoltre, la velocità di rotazione ottimale della foglia deve essere tenuta sotto controllo per massimizzare l’efficienza. Strutturalmente, le forze che agiscono su ciascuna foglia devono essere calcolate per assicurarsi che l’elemento non venga staccato dall’albero. È necessario tenere in considerazione tutte le fonti di stress che agiscono sulla foglia per essere sicuri che la forza complessiva sulla struttura metallica non sia eccessiva.

PROGETTARE UNA FOGLIA FUNZIONALE – Il team di ingegneri di New Wind ha realizzato la miglior approssimazione possibile di una foglia, che ha impiegato una comune turbina ad asse verticale su una base rotante chiamata turbina Savonius. Queste turbine sono solitamente cilindriche con due quadranti opposti derivati da un corpo curvo a forma di S che cattura il vento e spinge la turbina sul suo asse creando la torsione. Dal momento che una foglia cilindrica non era idonea per ragioni estetiche, è stata impiegata una forma a ellisse.
Inizialmente il team di progettazione di è avvalso di un pacchetto di software di simulazione open-source ma ben presto si è reso evidente che il tempo per le modifiche era eccessivo ed era necessario velocizzare le operazioni. Gli ingegneri New Wind, grazie alla loro esperienza accademica, hanno scelto ANSYS con la sua suite completa per simulazioni strutturali, fluidodinamiche ed elettromagnetiche. In breve tempo sono stati in grado di performare simulazioni multifisiche per sviluppare una soluzione robusta, affidabile ed efficiente. Molto importanti erano anche le dimensioni della foglia per performare nel modo più efficiente possibile. Le foglie dovevano essere abbastanza larghe per catturare il più possibile il vento e abbastanza piccole per essere proporzionate esteticamente al resto della struttura dell’albero. Gli ingegneri hanno condotto analisi parametriche con ANSYS Mechanical e ANSYS Fluent per determinare le dimensioni ottimali e il materiale più idoneo da utilizzare arrivando al risultato ideale: 376 mm nel punto più ampio. Il materiale giudicato più idoneo è risultato essere l’ABS (Acrilonitrile butadiene styrene), una plastica abbastanza economica e di facile reperimento. Questo design ha permesso di ottimizzare l’efficienza della struttura in condizioni di vento forte. Sulla base dei test in galleria del vento condotti su due foglie, si è determinato che un massimo di 63 foglie potesse essere collocato sulla struttura dell’albero.