NASA Langley Research Center e KiteGen
- NASA LaRC Airborne Wind Energy Harvesting
Mark Moore e David North del Nasa Langley Research Center mostrano come stanno ripercorrendo le varie soluzioni architetturali per implementare l’eolico troposferico.
David North inoltre annuncia di voler sperimentare la soluzione mono-fune con gli attuatori di assetto a bordo ala.
Benchè il Carosello ed in una certa misura lo Stem siano architetture indifferenti al numero di funi, cogliamo l’occasione per ricordare le ragioni che ci hanno portato KiteGen a concentrarsi su un sistema basato su due funi.
1) la sicurezza dei sistemi doppi.
Un sistema a doppio cavo ha un fattore di sicurezza estremamente più elevato di un sistema a cavo singolo, e permette in qualsiasi condizione un rientro veloce dell’ala.
I doppi moto-alternatori e tamburi si dividono il carico quindi sono circa la metà come dimensionamento e sono più maneggevoli e disponibili sul mercato
2) L’opportunità di implementare con le due funi la scivolata d’ala con ali concepite per un volo bimodale.
Con un cavo singolo la discesa deve avvenire necessariamente variando l’angolo di attacco dell’ala e portandosi possibilmente sul bordo della finestra di potenza del vento, strategie già percorse da KiteGen nel 2006 anche con i due cavi.
il recupero della fune crea vento apparente che restituisce portanza all’ala rallentando molto la manovra di rientro, con anche l’effetto indesiderato di dover fornire potenza ai tamburi per il riavvolgimento, mentre con le due funi abbiamo dimostrato di poter mettere l’ala in bandiera minimizzazndo tempi di ciclo e gli autoconsumi di energia.
3) La velocità di attuazione da remoto
Il controllo con un’ala molto distante mediante i cavi non soffre di ritardi apprezzabili, la forza sui cavi, e quindi anche i comandi, si muovono alla velocità del suono nel : “Dyneema® SK75, con E = 107 GPa , ρ = 0.97 kg/dm3 si ricava = 10.502 m/s”, ovvero circa 30 volte la velocità del suono in aria
Esso costituisce un ritardo di attuazione trascurabile che permette di escludere che vi sia un vantaggio ad attuare in prossimità dell’ala.
4) Resistenza aerodinamica delle funi in volo
A parità di resistenza alla trazione totale, le due funi presentano una resistenza aerodinamica nel volo che è maggiore di radice 2 rispetto ad un sistema a singola fune. Ma le funi possono facilmente essere rese aerodinamicamente inifluenti (brevetto KiteGen), in modo da escludere il drag tra i criteri di scelta delle stesse.
5) Avvolgimento su se stessi dei cavi, twist dei cavi
Il contatore di twist comandato dalla strumentazione di bordo ala funziona molto bene e sebbene il sistema funzioni ancora con 10 twist, il controllo può passare brevemente da i lemniscati agli ellissi per ripristinare l’allineamento corretto.
6) Forze per l’attuazione della direzione di volo dell’ala
Fino a quando si tratta di dimostratori da poche decine di kW l’attuazione a bordo ala può essere alimentata da accumulatori o da sistemi di generazione ausiliari. Quando invece si raggiungono i MW le attuazioni diventano impegnative sia come resistenza, peso ed energia necessaria per alimentarli.
Gli attuatori in volo, è presumibile, che possano solo essere controllati ed alimentati da un cavo elettrico intrecciato all’interno del cavo polimerico di trazione, riaprendo tutte le questioni di peso, costo, interfacciamento e sensibilità alle scariche atmosferiche .
Gli attuatori volanti dovranno poi essere integrati in qualche modo nell’ala per limitare l’effetto drag sia per l’effetto della forza d’inerzia che sbilancia la vela nelle manovre.
Themocracy
Dà quasi l’idea che cerchino con ostinazione un modo per non pagarVi i brevetti.
Di seguito i miei commenti:
1) la sicurezza dei sistemi doppi.
Il tema della sicurezza sarà decisivo per sistemi on-shore considerando la novità di questa nuova classe di generatori eolici (e le inevitabili diffidenze che la novità si porta dietro) e non dimentichiamoci i minori costi assicurativi che un bicavo dovrà sopportare a parità di peso dell’ala, di quota di esercizio e di sito più o meno antropizzato (vedi per es qui per un’interessante opinione su questi aspetti http://www.quora.com/Wind-Power/Are-airborne-wind-turbines-a-plausible-source-of-cheap-clean-energy ). Non mi sorprenderei se in futuro le agenzie regolatorie o le compagnie assicurative dovessero finire per richiedere l’uso di sistemi radar per far rientrare i kite al primo sospetto di velivolo in avvicinamento! I premi assicurativi saranno proporzionati anche alla massa dell’ala. Magari i sistemi monocavo finiranno per montare un cavetto ancillare solo per il recupero in caso di malfunzionamenti. Magari bisognerà proteggere le strade più frequentate intorno a una farm (con una rete leggera?). Secondo me il primo che costruisce un impianto on-shore riuscirà a dettare gli standard di sicurezza ed il kitegen è ben posizionato su questo fronte.
2) L’opportunità di implementare con le due funi la scivolata d’ala con ali concepite per un volo bimodale.
La manovra a bandiera è molto veloce e dovrebbe migliorare parecchio la resa di tutta la macchina. Come si vede qui http://www.enerkite.com/Description.html anche questo gruppo apparentemente lavora su manovre di rientro veloci ma purtroppo non ci sono dettagli. Sulla manovra a bandiera casomai il dubbio è sull’usura che subisce l’ala a causa al ripetersi di decine di migliaia di questi cicli all’anno.
E’pur vero che esistono materiali con prestazioni incredibili…
3) La velocità di attuazione da remoto
10.502 m/s: con 1 km di cavi si ha un ritardo di 100ms (il kite percorrerà una decina di metri in questo tempo) per un profano è molto difficile capire se operativamente 100ms di ritardo siano tanti o pochi. A giudicare dagli spettri del vento che si trovano in rete, la velocità del vento non dovrebbe subire grosse variazioni in 100ms e quindi presumibilmente neppure tra due punti dello spazio a 10m di distanza (in particolare a quote elevate) ma non sono sicuro della mia interpretazione. Qui uno spettro del vento:
http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0469%281957%29014%3C0160%3APSOHWS%3E2.0.CO%3B2
4) Resistenza aerodinamica delle funi in volo
La questione sicurezza & affidabilità sarà dominante rispetto a considerazioni sul drag almeno nei primi anni di uso delle tecnologie EAQ (almeno secondo me).
6) Forze per l’attuazione della direzione di volo dell’ala
Per soluzioni monocavo lo stato dell’arte ce l’ha skysails. Apparentemente fino a 2MW meccanici le soluzioni tecniche da loro sviluppate sembrerebbero funzionare. Purtroppo non possiamo sapere più di tanto quali e quanti problemi abbiano incontrato nella pratica. Dovremo aspettare che la NASA pubblichi i risultati comparativi delle sue esperienze per avere un opinione indipendente. Comunque per me la questione sicurezza prevale nel discorso mono-cavo / bi-cavo (difatti per es. skysails ha pensato finora a sistemi offshore per tagliar la testa al toro).
Buon lavoro!
Stefano
brutte notizie da Skysails che deve dimezzare il personale (da 80 a 40 impiegati) parrebbe per un calo di domanda da parte degli armatori in crisi (vedi baltic dry index)
http://tech.groups.yahoo.com/group/AirborneWindEnergy/message/5612
Bello il blog, e interessanti alcune informazioni. Pero’ saremmo tutti molto curiosi di sapere come procedono i test, che difficolta’ state trovando e quali milestone avete passato.
Magari con un po’ piu’ di apertura su questo fronte riuscireste a reperire finanziamenti da investitori privati o magari a convincere qualcuno con delle buone idee a venire a lavorare per voi. Ricordo di aver letto in estate questa frase attribuita a massimo “è difficilissimo trovare uno che sappia di fisica e che sia in grado di programmare”… non so bene dove abbia cercato ma non mi pare un profilo introvabile.
Dall’esterno tanta segretezza e la scarsita’ degli aggiornamenti, fanno solo sospettare che ci siano grosse difficolta’ che non si vogliono ammettere.
Nella speranza che presto facciate un post sul blog in cui ci raccontate cosa sta succedendo, vi auguro buon lavoro e spero che riusciate a darci la fonte di energia del futuro.
andrea
@Andrea
E’in arrivo un post molto interessante sul tema!
x Stefano. “A giudicare dagli spettri del vento che si trovano in rete, la velocità del vento non dovrebbe subire grosse variazioni in 100ms” Quando si incontra la turbolenza le variazioni sono molto repentine. Occorre ricercare qualcosa sulle raffiche/gust, ci proverò.
x Andrea.Sono d’accordo con te sui profili professionali.
x Eugenio. Non mi piace molto il blog in generale. Per vostra info frequento il presente e quest’altro http://www.philipglass.com/news.php. Lì però noto che nella pagina di apertura è possibile conoscere se vi sono stati commenti, anche a interventi molto vecchi. Non so se in questo è possibile.
@Mario
Ho abilitato il riquadro dei commenti recenti in basso a destra
@Mario
La mia sensazione comunque è che le turbolenze possano essere difficili da gestire più a bassa quota e in fase di decollo che in quota. A bassa quota non si ha praticamente ritardo nell’attuazione dei comandi ma il vento potrebbe essere abbastanza caotico (anche su scala dei secondi) da rendere difficili le manovre di decollo. Mi immagino che, a causa delle raffiche, con lo stem si dovranno tentare diversi decolli prima che uno vada a buon fine; l’importante però è evitare che il sistema subisca urti e danni nel tentativo di far prendere quota al kite.
Il momento peggiore io me lo immagino al decollo tipo a 40-50m di quota : se arriva una raffica che cerca di sbattere il kite a terra bisogna recuperare rapidamente i cavi, evitare danni e ritentare il decollo. Alla fine quando si guadagna una quota di “sicurezza” ,qualunque cosa accada, ci sarà sempre abbastanza tempo per recuperare e rispondere.
Qui un esempio con vento misurato nella scala dei secondi (vicino a terra) per avere un’idea http://web.mit.edu/aeroastro/labs/halab/papers/Habib-Wind.pdf
Comunque se hai voglia di cimentarti coi gust guarda anche questo documento e fammi sapere http://pubs.drdc.gc.ca/PDFS/unc57/p527097.pdf
(io non l’affronto neanche)
x Stefano
penso che vicino a terra non sia molto difficile anticipare le raffiche semplicemente equipaggiando la zona circostante con anemometri. Infatti “anticipare” le raffiche e’ pratica abbastanza diffusa negli sport velici (non avendo anemometri sparsi ovunque si guardano le raffiche disegnarsi sulla superficie del mare).
x Stefano. Sono d’accordo. Inoltre l’asta vera e propria dello stem dovrebbe fare da smorzatore immediato quando la vela è in quota.
x Andrea. La turbolenza è una modulazione molto veloce della velocità dell’aria con raffiche/gust più o meno intense, con distribuzione random. Non credo che l’anomemotro possa essere di aiuto per le manovre, piuttosto ci si deve affidare ai sensori di assetto e di forza che misurano l’effetto sulla vela
X Andrea
La mia impressione (ribadisco impressione) è che per decollare sia necessaria una finestra di alcuni secondi (10 o 20 non saprei)di vento abbastanza laminare e che se arriva una raffica (prevista o meno) bisogna rientrare (in sicurezza)e ripartire da capo. Forse Eugenio ci può illuminare sulla questione.
Comunque l’importante è che, in queste fasi in prossimità del suolo, le strutture e i kite resistano alle sollecitazioni delle eventuali raffiche senza danneggiarsi, poi se tra un tentativo e l’altro si impiegano anche 10 minuti a decollare è lo stesso (credo).
@stefano
“se arriva una raffica che cerca di sbattere il kite a terra…”
da aquilonista della domenica una cosa credo di averla capita: non esiste una raffica che ‘sbatta il kite a terra’: il vento genera portanza. sempre. il problema delle raffiche è che, non gestite, possono strappare cavi, kite, stem ecc..
ma il problema si verifica a quote elevate (dove le raffiche sono importanti) e il progetto nasce avendo ben in mente la questione (per esempio, lo stem elastico serve a guadagnare millisecondi a favore tempi di reazione del sistema).
se ho capito qualcosa del progetto, credo che i maggiori problemi da affrontare a questo punto saranno sull’affidabilità in condizioni operative e sulla capacità di produzione…
@ric
Sullo sbattere a terra la sai sicuramente più lunga di me che non sono manco aquilonista della domenica…
Dove le raffiche diano più noia (in quota o al decollo)nel gestire un kite di grosse dimensioni sinceramente io non lo saprei dire con certezza.
In quota mi pare che ci possa essere più tempo a disposizione potenze maggiori in gioco ma meno turbolenza nella scala dei secondi e millisecondi
In generale forse se un kite è un pò più pesante (a parita di superficie)i suoi cambiamenti di velocita sono meno repentini ed è meno prono a schizzare per la tangente. Da aquilonista che ne dici?
La capacità di produzione intesa come ore equivalenti credo sia legata sopratutto alla vela di cui disponi (sempre che tu sia capace di controllare e gestire le forze in gioco con kite grossi e veloci) visto che salendo in quota a sufficienza di vento ce ne sta in abbondanza.
Per l’affidabilità credo ci vorrà esperienza e miglioramenti incrementali, insomma intelligenza tempo e denaro….
@stefano
“Da aquilonista che ne dici? ” hai dimenticato DELLA DOMENICA !
scherzi a parte, è ovvio che le mie esperienze con piccoli kite non sono paragonabili con le dinamiche che uno stem in condizioni operative dovrà trovarsi ad affrontare. però il mio aquilone è fatto e si comanda esattamente nello stesso modo e, forse, la mia piccola esperienza potrebbe aiutarmi ad intuire le manovre che deve essere in grado di compiere il sw.
in qualche occasione ho provato a volare durante delle tempeste e forse mi sono avvicinato un po’ di più alle condizioni d’esercizio di un kitegen che lavori in quota: il problema grosso è che le forze aumentano in maniera esponenziale con la velocità e, considerando anche che il kite è più veloce del vento e che in quota le raffiche possono essere davvero potenti, riesco solo ad immaginare con che razza di velocità devono essere prese le decisioni di manovra e che grado di precisione dovranno avere.
se dovessi scrivere io il sw di gestione, all’arrivo di una raffica cercherei solo di mettere il kite in sicurezza fino al ritorno del vento normale.
ma, per fortuna, non devo scrivere io il codice