Ottimizzazione delle prestazioni aerodinamiche della turbina eolica a spirale di Archimede: analisi sperimentale e CFD combinata degli effetti del rapporto di passo e del numero di pale

Perché una nuova tipologia di turbina conta

Nel tentativo delle città di trovare fonti di energia più pulite, l’energia eolica sembra una scelta ovvia. Tuttavia, le grandi turbine a tre pale tipiche delle campagne faticano in ambienti urbani affollati, dove i venti sono più lenti, turbolenti e soggetti a continui cambiamenti di direzione. Questo articolo esplora una macchina diversa — la turbina eolica a spirale di Archimede — che ha la forma di una conchiglia a spirale attorcigliata. I ricercatori si pongono una domanda pratica: come devono essere sintonizzate la geometria della spirale e il numero di pale affinché questa turbina funzioni in modo efficiente e affidabile nei venti urbani a bassa velocità?

Una turbina a spirale progettata per i venti cittadini

La turbina eolica a spirale di Archimede (ASWT) è una turbina compatta ad asse orizzontale le cui pale avvolgono l’albero centrale in una spirale continua, invece di estendersi radialmente. Questa forma le permette di captare il vento da molte direzioni e di avviarsi anche quando le raffiche sono deboli e instabili — condizioni tipiche tra gli edifici. Tuttavia, la stessa progettazione a spirale e a più pale che aiuta alle basse velocità può anche aumentare la resistenza aerodinamica e i carichi strutturali, limitando l’efficienza massima. Lo studio si concentra sul trovare un punto di equilibrio in cui la turbina si avvia facilmente e funziona in modo stabile, convertendo nel contempo quanta più energia eolica possibile in potenza utile.

Regolare la forma della spirale

Una caratteristica chiave di progetto di questa turbina è la rapidità con cui la spirale «si svolge» lungo l’albero, controllata da due lunghezze chiamate Passo 1 e Passo 2. Il loro rapporto (S1/S2) determina se le pale sono più strettamente curve o più distese. Per studiare questo aspetto senza introdurre altri fattori, il team ha mantenuto dimensione e proporzioni complessive del rotore fisse, variando soltanto S1/S2 in sei versioni. Hanno costruito modelli computerizzati 3D, eseguito simulazioni dettagliate del flusso d’aria e poi testato modelli fisici corrispondenti in una galleria del vento a velocità realistiche tra 5 e 10 metri al secondo. Tutte le versioni hanno raggiunto la loro migliore prestazione in un regime rotazionale simile, ma una configurazione di gamma media (denominata PR-5) è emersa chiaramente, ottenendo la massima potenza guidando l’aria in modo più uniforme lungo la pala senza causare resistenze eccessive.

Trovare il numero giusto di pale

Con la forma della spirale fissata in questo assetto ottimale, i ricercatori hanno quindi esaminato quante pale la turbina dovrebbe montare — testando versioni a due, tre, quattro, cinque e sei pale. Più pale offrono una superficie maggiore su cui il vento può spingere, il che aiuta la turbina ad avviarsi a basse velocità e a fornire una coppia più costante. Ma inserire troppe pale rende anche il rotore più spesso, aumentando la turbolenza e l’attrito nell’aria, fattori che possono erodere l’efficienza una volta che gira più velocemente. Le simulazioni e le misure in galleria del vento hanno mostrato uno schema chiaro: la versione a tre pale ha fornito il miglior compromesso complessivo, raggiungendo un coefficiente di potenza massimo di circa 0,264 a un moderato rapporto velocità di punta, mentre le versioni con più pale hanno sofferto di resistenza aggiuntiva e scie irregolari dietro il rotore. Il modello a due pale si comportava un po’ meglio a regimi rotazionali più elevati ma era meno efficace con venti deboli.

Osservare il flusso interno

Per capire perché emergono queste differenze, il team ha esaminato mappe dettagliate di pressione e velocità intorno alle pale. Nel progetto a tre pale più performante, l’aria accelerava in modo uniforme sul lato di aspirazione di ciascuna pala e rallentava sul lato opposto, creando una differenza di pressione forte e uniforme che genera la rotazione. La scia dietro la turbina rimaneva compatta e relativamente ordinata, segnale di un’estrazione efficiente di energia con turbolenze contenute. Al contrario, il rotore a due pale mostrava carichi più deboli e discontinui, mentre i rotori con cinque o sei pale producevano zone di pressione sovrapposte e scie ampie e lente — segni che l’aria veniva sovraccaricata e che gran parte della superficie aggiuntiva delle pale ostacolava più di quanto aiutasse.

Cosa significa per l’energia eolica urbana

In termini pratici, lo studio dimostra che la turbina a spirale di Archimede può essere ottimizzata per funzionare bene dove le turbine convenzionali ad alto traliccio fanno fatica: nei venti urbani bassi e variabili. Regolando con cura la rapidità di apertura della spirale (il rapporto S1/S2) e scegliendo una configurazione a tre pale, i progettisti possono ottenere un rotore compatto che si avvia facilmente, gira in modo stabile e converte una quota rispettabile dell’energia del vento in elettricità — senza sistemi di orientamento complessi. Pur avendo un’efficienza di picco ancora inferiore rispetto alle grandi turbine di campagna, questo progetto a spirale ottimizzato offre un’opzione promettente per i tetti e la generazione distribuita su piccola scala, fornendo anche una solida base per futuri perfezionamenti di forma, struttura e materiali.

Citazione: Faisal, A.E., Lim, C.W., Al-Quraishi, B.A.J. et al. Aerodynamic performance optimization of the archimedes spiral wind turbine: combined experimental and CFD analysis of step ratio and blade number effects. Sci Rep 16, 13455 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43165-9

Parole chiave: turbina eolica urbana, rotore a spirale di Archimede, ottimizzazione del numero di pale, dinamica dei fluidi computazionale, energia eolica su piccola scala