La bici solare senza batterie è l’unico vero velocipede a pedalta assistita che può vantare emissioni zero (nemmeno quelle delle batterie) e gli stessi costi di manutenzione di una bicicletta tradizionale. Vero che il pannello fotovoltaico si consuma riducendo le prestazioni nel tempo, ma la vita media di questi prodotti è intorno ai 20 anni e se il pannello è di buona qualità c’è il rischio che duri più della bicicletta. Certo, un veicolo di questo tipo ha anche degli svantaggi.
Una bici solare senza batterie è la Sunbike ideata e costruita da Lorenzo Barbieri di Concordia (MO), che la sta testando personalmente verificandone pregi e incontestabili limiti. Del prototipo abbiamo già parlato brevemente in un precedente articolo (clicca qui) ora invece entriamo nel dettaglio con le parole dell’inventore. Il racconto è ricco di informazioni inedite e spunti interessanti, se siete appassionati del genere vale la pena arrivare in fondo.
Ingegner Barbieri, come è nata l’idea di costruire una bici solare senza batterie?
Tutto è nato quando, 4-5 anni fa, su giornali e vari siti Internet ho letto primi articoli di velocipedi a energia solare, bicicli, tricicli o quadricicli, realizzati per lo più da istituti tecnici, che mi hanno parecchio interessato. Al punto che non mi sono limitato a leggere gli articoli, ma ho cercato di approfondire tecnicamente come erano stati realizzati quei veicoli e che funzionamento avevano.
Qual è stata la conclusione?
La sola idea di riuscire a sfruttare l’energia del sole per spostarsi era una cosa affascinante, ma gli approfondimenti tecnici mi hanno portato a numerose delusioni: il 90% dei velocipedi annunciati a caratteri cubitali nei titoli degli articoli era dotato di batterie e i pannelli fotovoltaici installati non facevano altro che aumentare di un 20-50% l’autonomia delle batterie. L’altro 10%, addirittura, era di velocipedi neppure realizzati, solo fatti sulla carta o a computer, e comunque con caratteristiche che, nella migliore delle ipotesi, avrebbero consentito a questi velocipedi di funzionare esattamente come gli altri.
Quindi le bici solari erano in realtà delle bici a batteria…
Questa profonda delusione mi ha portato a un ragionamento di base: non si farebbe prima a installare batterie un po’ più capienti? Si risolverebbero i problemi di installazione dei pannelli fotovoltaici, dei regolatori di carica ecc…, con tutto quello che comporta a livello di costi e praticità nell’utilizzo dei velocipedi! Che senso ha chiamare un velocipede ‘bicicletta a energia solare’ se poi il motore viene alimentato da una batteria che quando si scarica deve essere ricaricata indipendentemente dal sole? Che senso ha installare un pannello fotovoltaico, con tutti i problemi tecnici che ciò comporta, per portare l’autonomia da 30 a 40 km? Non sarebbe più semplice installare una batteria al litio da 480 Wh al posto di quella al gel da 360 Wh? Per questi motivi ho iniziato una serie di test per capire dove sono i problemi: prima sulle biciclette, poi su varie batterie e sui pannelli fotovoltaici.
Ci parli dei test…
Innanzitutto si devono stabilire dei parametri come condizioni di funzionamento, dai quali si possono ricavare le potenze in gioco. Esistono già delle tabelle che relazionano le potenze necessarie per mantenere certe velocità, in base al tipo di bicicletta, alla posizione del ciclista, ecc…, ma molti aspetti non vengono citati e i dubbi sulla reale applicazione restano. Ho quindi verificato qual è la velocità minima di equilibrio e in quanti metri deve essere raggiunta per poter fare una partenza. Questa velocità è di 4 km/h e deve essere raggiunta in circa 3 metri. Utilizzando una corda, una carrucola e dei pesi da palestra, e segnando i riferimenti dei 3 mt e di 1,2 mt successivi (4 km/h corrispondono a 1,11 mt/s, arrotondati a 1,2 mt), ho verificato quanto peso serve per riuscire a percorrere 1,2 mt in 1 secondo dopo 3 mt di accelerazione. Dai kg si ricavano i Newton, che, moltiplicati per 1,2 mt danno i Joule, che, in queste prove sono corrispondenti ai Watt, poichè vengono percorsi esattamente in 1 secondo.La potenza necessaria risultante è di 40W alla ruota. Se questa potenza deve essere ottenuta utilizzando un motore a magneti permanenti (di quelli standard da 250W, tipo brushless) da bicicletta elettrica a pedalata assistita, con un rendimento di circa il 60%, si evince che devo fornire al motore circa 70W di alimentazione elettrica.
Ha fatto anche altre prove?
Di test sulle biciclette ne ho fatti tanti altri per comprendere le potenze in gioco: con ruote lisce o ruote tacchettate, ruote gonfie o semisgonfie, biciclette attaccate assieme per comprendere l’attrito di più ruote ecc…. Per quanto riguarda le batterie, non esistono dati sui rendimenti delle batterie, ma solo correnti di spunto, carica oraria, cicli di ricarica, ecc…. Ho quindi testato alcune batterie, ma soprattutto una al gel da 360Wh da bicicletta elettrica con il relativo caricabatterie; l’ho messa sotto carica collegando al caricabatterie un multimetro digitale da analisi utenza. Dopo circa 6 ore si è accesa la lucina verde di ‘batteria carica’ ed ho letto quanto ha assorbito: 550Wh! Non conosco i rendimenti delle batterie, ma tenendo in considerazione che si deve alimentare il caricabatterie, con questa verifica ho rilevato quanto assorbe il gruppo batteria/caricabatteria. Poi ho rilevato quanta energia eroga la batteria, ed anche questo dato è sconcertante: 250Wh! Meno della metà di quanto assorbito e meno del nominale.
Quindi la batteria è essa stessa un limite della bici a energia solare…
Il dato che mi ha fatto capire la motivazione per la quale tutti i velocipedi realizzati con le batterie e i pannelli fotovoltaici, una volta scaricate le batterie, dovevano per forza fermarsi a ricaricarle, è l’assorbimento della batteria nella prima ora di ricarica: 200Wh! Le batterie messe sotto carica, inizialmente, assorbono tantissimo; ed i pannelli fotovoltaici, anche nelle migliori condizioni, dirotterebbero la maggior parte dell’energia prodotta alle batterie, lasciando ben poco al motore. Poi ho fatto tantissimi test sui pannelli fotovoltaici, soprattutto in condizioni di irraggiamento medio/scarso, di ombreggiamenti anche parziali sulle singole celle, con varie temperature, ma che non sto a riportare. Posso solo trasmettere la mia decisione di aver scelto che, per ottenere nella maggior parte delle ore di luce di una giornata i 70W necessari al motore, devo obbligatoriamente installare oltre 140W di pannelli fotovoltaici.
Alla luce dei test, qual è secondo lei l’ingegneria ideale di una bici a energia solare?
Dopo questi test ho capito che tutto si gioca su aspetti dimensionali, e non su rompicapi di ingenieria elettronica. Il velocipede deve essere a 2 ruote, poichè con 3 assorbirebbe quasi 10W in più che diventano quasi 20 considerando il rendimento del motore. Ci vogliono ruote con battistrada scorrevole e gonfiate ad almeno 5 bar. Visti i risultati dei test, le batterie ho deciso di non metterle. Ovviamente questo porta ha vantaggi e svantaggi. Cominciamo da questi ultimi…
Svantaggi
1) l’assistenza del motore c’è solo di giorno, a 2 ore circa dopo l’alba e prima del tramonto, se il cielo non è esageratamente nuvoloso, e se non ci sono situazioni di ombreggiatura persistente (strade alberate o affiancate da palazzi, vallate particolari, ecc…).
2) l’erogazione dell’assistenza non è sempre costante, poichè i pannelli fotovoltaici erogano energia in modo immediato ed anche l’ombra di un palo provoca un rallentamento.
3) la potenza che eroga una batteria è molto più elevata rispetto a quella dei pannelli fotovoltaici; anche se la velocità è limitata a 25 km/h per legge, e si possono anche raggiungere con i soli pannelli, con la batteria si possono affrontare salite (con pendenze non esagerate) ed avere partenze con accelerazioni briose
Vantaggi
1) non è impossibile percorrere 200 km in un giorno, anche con scarso allenamento, funzionando col sole in una giornata limpida; cosa impossibile con le batterie (anche con un pacco di batterie al litio sovradimensionate sarebbero necessarie almento 3 ricariche)
2) i pannelli fotovoltaici durano decenni, mentre le batterie durano dai 200 agli 800 cicli di ricarica a seconda della tipologia e dei criteri di utilizzo
3) la mancanza delle batterie e dei relativi apparati di regolazione e ricarica, consente al velocipede di essere più leggero di alcuni kg; cosa importante nel caso si debba pedalare
4) si evita il costo di acquisto e gestione/sostituzione del sistema batterie, limitando la manutenzione a quella di una normalissima bicicletta
Cosa ci dice dei pannelli fotovoltaici?
I pannelli fotovoltaici di una bicicletta a energia solare devono avere una potenza nominale minima di 140W, verificando le varie situazioni di irraggiamento. Ho notato che molte biciclette fotovoltaiche ne hanno molta meno di potenza installata, o sono troppo pesanti, o con troppi attriti dovuti al numero di ruote; per questo, poi, devono ricorrere obbligatoriamente all’installazione di batterie. Inoltre i pannelli devono essere posizionati orizzontalmente e sopra al ciclista: il velocipede può muoversi verso tutti i punti cardinali (campo direzionale di 360°); ho visto biciclette fotovoltaiche con pannelli inclinati come se fossero posizionati sul tetto di una casa, o come gli alettoni di una Formula1; questo comporta un rendimento maggiore quando il pannello è inclinato verso il sole (quindi per 90°) e un rendimento inferiore in tutte le altre direzioni (270°), a meno che il sole non si trovi esattamente nello Zenith. Quando i pannelli non sono posizionati sopra al ciclista, il ciclista stesso può essere causa di ombreggiamento. Poi i pnnli devono essere leggeri, poichè essendo posizionati in alto provocano l’alzamento del baricentro, ed essendo distanti dallo stesso hanno anche una leva lunga su cui agire per rendere meno sicuro l’equilibrio. Infine devono essere disposti longitudinalmente per ridurre al minimo gli ingombri laterali (pericolosi nel traffico). Alcune biciclette reclinate sono quelle che si prestano meglio per poter installare una elevata superficie di pannelli fotovoltaici. La bicicletta che ho realizzato è comunque solo un prototipo grezzo, assemblato con materiali esistenti sul mercato.
Quali sono le sue conclusioni?
Una bicicletta a energia solare non è consigliata per degli spostamenti cittadini, almeno in Italia. Le strade urbane, le scarse qualità e quantità di piste ciclabili ne renderebbero l’utilizzo poco rilassante, poi, la presenza delle abitazioni a ridosso delle strade, e dei viali alberati (e per fortuna che ce ne sono ancora), creerebbero numerose zone d’ombra che consentirebbero uno scarso sfruttamento dell’assistenza del motore. Anche in montagna non si trova nel suo abitat, poichè tutto si gioca sui pochi Watt a disposizione, quindi in salita, dove ne servono tanti, l’aiuto è scarso (si sente l’assistenza, ma per superare un 8% bisogna aiutare il motore pedalando). Questa bicicletta è invece l’ideale per le gite in campagna, indicata per persone che (come me) hanno il tempo di andare in bicicletta solo nel fine settimana, quindi prive di allenamento, che desidererebbero percorrere tanti km senza far fatica e senza incombere in tutti quei dolori che provocano le biciclette tradizionali in solo 2 o 3 ore. E’ fantastico l’utilizzo sulle stradine asfaltate degli argini dei fiumi. Può essere indicata a chi ama fare le ferie in bicicletta macinando km e km, oppure a chi la può utilizzare percorrendo strade adatte alle caratteristiche che più o meno ho cercato di descrivere. Ho già pensato ad un telaio creato appositamente e a delle modifiche suggerite dai collaudi, che potrebbero renderla ulteriormente leggera, aerodinamica e sfruttabile, oltre che molto più bella e protettiva nei confronti di vento, sole e pioggia.
I test continueranno?
Userò la bici che ho costruito per tutta l’estate, magari mi potrebbero venire altre idee per migliorarla. Sarebbe bello trovare l’appoggio di qualche casa ciclistica per realizzare il modello che ho in mente; altrimenti mi resta l’inverno prossimo e il mio solito garage, ma, come ovvio, con molte difficoltà.