Sintesi!delle!attività!di!sviluppo!di!un! dispositivo!inerziale!passivo!per!la! produzione!di!energia!dal!moto!ondoso! !!!!!!! Report!RdS/PAR2013/172!

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1 Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l energia e lo sviluppo economico sostenibile MINISTERO DELLO SVILUPPO ECONOMICO Sintesidelleattivitàdisviluppodiun dispositivoinerzialepassivoperla produzionedienergiadalmotoondoso G.Mattiazzo,E.Giorcelli,G.Bracco,E.Giovannini,A.Fontanella, A.Carillo,G.Sannino ReportRdS/PAR213/172

2 SINTESI DELLE ATTIVITÀ DI SVILUPPO DI UN DISPOSITIVO INERZIALE PASSIVO PER LA PRODUZIONE DI ENERGIADALMOTOONDOSO G.Mattiazzo(PolitecnicodiTorino),E.Giorcelli(PolitecnicodiTorino),G.Bracco(PolitecnicodiTorino),E. Giovannini(ENEARUTRIN),A.Fontanella(ENEARUTRIN),A.Carillo(ENEARUTMEA),G.Sannino(ENEARUTMEA) Settembre 214 ReportRicercadiSistemaElettrico AccordodiProgrammaMinisterodelloSviluppoEconomicoRENEA PianoAnnualediRealizzazione213 Area:Produzione di energia elettrica e protezione dell'ambiente Progetto:Studi e valutazioni sulla produzione di energia elettrica dalle correnti marine e dal moto ondoso Obiettivo:Sviluppodiunsistema oscilalnte passivo per il recupero di energia dal moto ondoso ResponsabiledelProgetto:G.Sannino,ENEA

3 Indice SOMMARIO INTRODUZIONE DESCRIZIONEDELLEATTIVITÀSVOLTEERISULTATI DESCRIZIONEDELPROTOTIPO DISEGNICOSTRUTTIVI VERIFICHEEPROVEPRELIMINARI Stabilizzazione&dello&scafo&...& L assetto&del&generatore&...& Identificazione&dell attrito&attorno&all asse&ε&...& SVOLGIMENTODELLEPROVE Il&canale&di&prova&...& Il&setup&sperimentale&...& Il&sistema&di&ormeggio&...& Misura&del&profilo&dell onda&...& Misura&dell angolo&δ di&beccheggio&dello&scafo&...& Misura&di&angolo,&velocità&e&coppia&agenti&sul&PTO&...& Il&sistema&di&controllo&del&PTO&...& Metodologia&di&esecuzione&delle&prove&...& RISULTATIDELLEPROVE VALIDAZIONEDELMODELLOANALITICO CONCLUSIONI RIFERIMENTIBIBLIOGRAFICI

4 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Sommario Leattivitàsvoltenell ambitodell accordodicollaborazionetraeneaepolitecnicoditorino,dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, hanno riguardato la progettazione, realizzazione e sperimentazionediunsistemadiconversionedell energiadamotoondosoamassaoscillante. Nel presente lavoro si mostra l attività di sperimentazione sul prototipo del sistema di conversione di energiadamotoondosoamassaoscillante.intalesistemaleondeprovocanol oscillazionedelloscafoche latrasmettealpendolocontenutointernamente.ilmotorelativoscaforpendoloattivaungeneratoreche produceenergiaelettrica. Il prototipo in scala realizzato in collaborazione con ENEA è stato provato sperimentalmente presso il canalediprovadelpolitecnicoditorinoperdiversecondizionidimotoondosoeparametridicontrollodel sistema. Irisultatidellacampagnaditestsonostaticonfrontaticonunmodellonumericodelsistemacheèstato sviluppatoall internodell accordodicollaborazione.ilmodellonumericosimulaladinamicadelsistemae lapotenzaprodottadalconvertitoreapartiredall ondaincidente. Talemodelloabbinatoaunaproceduradisintonizzazionehaprodottounabuonaconcordanzaconidati sperimentali. 4

5 1 Introduzione Oggettodell AccordodiCollaborazioneèlaprogettazione,realizzazioneesperimentazioneinscaladiun sistemadiproduzionedienergiadamotoondosoamassaoscillante. IlprototipoèstatoprogettatoincollaborazioneENEA PolitecnicodiTorinoedèstatoprovatopressoil canalediprovadelpolitecnicoditorino.lasperimentazioneelacomparazionedeirisultaticonilmodello numericosonodiseguitodescritti. 2 Descrizionedelleattivitàsvolteerisultati 2.1 Descrizione&del&prototipo& Il dispositivo, rappresentato in Figura 1, è costituito da un pendolo in grado di oscillare su un grado di libertà,installatosuunoscafogalleggiante.ilmovimentodibeccheggiocausatodalleondeètrasmessoal pendolo,sulcuiassedirotazioneècalettatoilgeneratoredienergiaelettrica. Figura'1')'Prototipo'sperimentale'in'scala' 5

6 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Figura'2' 'Schema'di'riferimento' Loscafoècostituitodalamierediacciaioinossidabileda1mmdispessoresaldatetraloro.Haformadi semicilindroadasseorizzontale,conduealettelateraliperfavorirnel allineamentorispettoalladirezione d incidenzadell onda. Alloscafoècollegatorigidamenteuntelaiochesupportalacelladicarico,ilgeneratoreelettricoel intero meccanismoapendolo. & 6

7 2.2 Disegni&costruttivi& Sonoriportatidiseguitoidisegnicostruttiviutilizzatiperlafabbricazionedelprototipoinscala.Ilprogetto sicomponedi3tavole,elencateintabella1. Tabella'1)'Elenco'delle'tavole' TAVOLA'n.' CONTENUTO' 1 Totale 2 Cella 3 Boccolafilettata 4 Pernomotore 5 Pernopiastra 6 Generatore 7 Piastrafissaggio 8 Ghieramodificata 9 Tappochiusura 1 Statoreesterno 11 Piastraforata 12 Pendolo 13 Giuntoalbero 14 Boccolafissaggio 15 Discoinerzia 16 Massacentrale 17 Massalaterale 18 Barrefilettate 19 Telaio 2 Laterale1 21 Laterale2 22 Traversa 23 Guida 24 Base 25 Scafo 26 Lamieraforata 27 Longherone 28 Culla 29 Parete 3 Coperchio 7

8 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Tavola&1&-&Totale " 8"

9 """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" " &Tavola&2&&-&Cella " 9"

10 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Tavola&3&-&Boccola&filettata& 1

11 Tavola&4&-&Perno&motore& 11

12 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Tavola&5&-&Perno&piastra 12

13 Tavola&6&(&Generatore& 13

14 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE(ENEA& &Tavola&7&(&Piastra&fissaggio& 14

15 Tavola&8&&(&Ghiera&modificata 15

16 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE(ENEA& Tavola&9&(&Tappo&chiusura& 16

17 Tavola&1&(&Statore&esterno& 17

18 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE(ENEA& Tavola&11&(&Piastra&forata& 18

19 Tavola&12&(&Pendolo 19

20 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Tavola&13&-&Giunto&albero& 2

21 Tavola&14&-&Boccola&fissaggio& 21

22 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& &Tavola&15&-&Disco&inerzia& 22

23 Tavola&16&-&Massa&centrale& 23

24 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Tavola&17&-&Massa&laterale& 24

25 &Tavola&18&-&Barre&filettate 25

26 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Tavola&19&-&Telaio 26

27 Tavola&2&)&Laterale&1& 27

28 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE)ENEA& Tavola&21&)&Laterale&2& 28

29 Tavola&22&)&Traversa 29

30 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Tavola&23&-&Guida& 3

31 Tavola&24&-&Base& 31

32 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Tavola&25&-&Scafo& 32

33 Tavola&26&-&Lamiera&forata& 33

34 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Tavola&27&-&Longherone& 34

35 Tavola&28&-&Culla& 35

36 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Tavola&29&-&Parete& 36

37 Tavola&3&-&Coperchio 37

38 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& 2.3 Verifiche&e&prove&preliminari& Leverifichehannoriguardato: 4 L assenzadidifettidifabbricazione 4 Latenutadelloscafoall acqua Entrambeleverifichehannodatoesitopositivo. Leprovepreliminarihannoavutolafinalitàdideterminare: 4 Lastabilizzazionedelloscafo 4 L assettodelgeneratore 4 L attritoattornoall asseε Stabilizzazionedelloscafo All internodelloscafosottolabasedelpendolosonostateinseritelemassedibilanciamentoperregolare l altezzadelbaricentrorispettoallalineadigalleggiamento.talealtezzadeveesseretaledagarantirela stabilitàdelloscafosiarispettoilrolliocheilbeccheggio.lastabilitàèintesacomelacapacitàdelsistemadi ritrovarel equilibrioafrontediunapiccolaperturbazione. Con una serie di prove in acqua ferma, si è verificato che posizionando le masse di stabilizzazione nella parteinferioredelloscafo,ottenendoilpesoprevistodi75kg,ilsistemaèstabilenelleduecoordinatedi rollioebeccheggiointuttelecondizionidiassettodelgeneratore. Lamassadizavorraèottenutaconblocchidiacciaiosagomati,collocatialfondodelloscafo,nellospazio tralepiastreforatediappoggiodeltelaioelalamierasemicilindrica. 38

39 2.3.2 L assettodelgeneratore Figura'3' 'vista'interna'del'prototipo' IltelaiodisostegnodelPTOhaunaseriediforiconcuièpossibilefissareilgeneratoreadiversealtezze rispetto al fondo dello scafo, in modo da spostare il baricentro dello scafo e conseguentemente la sua rispostainampiezza. Il telaio è costituito da elementi di alluminio anodizzato assemblati con viti. Sono possibili 22 differenti settaggi,masolo16sonoeffettivamente utilizzabili allamassimalunghezzadelpendolo perproblemidi interferenzetralepartiinmovimento. LaFigura4mostrailimitidisettaggiodellamassaoscillante. Posizionamento dellemassedi stabilizzazione 39

40 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Figura'4'4'Impostazione'della'posizione'della'cerniera'del'pendolo'(asse'del'PTO)' LaTabella2riportaladistanzatralacernieradelpendolo(distanzaCG)eilbaricentrodelloscafonelle diverseconfigurazioniutili. Tabella'2'4'Configurazioni'geometriche'del'pendolo' Configurazione' n.' Distanza'CG' m' 1,5968 2,4923 3, , ,4418 6,4228 7,4543 8,3886 9,3768 1, , , , , , ,2496 4

41 IlcomportamentoidrodinamicodelloscafoèstatostudiatomediantesimulazionenumericaconANSYS AQUA.L amplificazionedell oscillazione,espressadal ResponseAmplitudeOperator perlediverse configurazionièriportatoinfigura5. RAO x Config. 1 Config. 4 Config. 7 Config. 1 Config. 13 Config Periodo (s) RAO z Config. 1 Config. 4 Config. 7 Config. 1 Config. 13 Config Periodo (s) RAO pitch Config. 1 Config. 4 Config. 7 Config. 1 Config. 13 Config. 16 Figura'5' 'RAO'per'le'tre'coordinate'' Dallesimulazioninumericherisultachel ampiezzadioscillazionemaggioresiottieneperlaconfigurazione n.1,cioèquellaallamassimaaltezzadalfondodelloscafo.leprovesperimentalisonostatequindisvolte contaleconfigurazionepercercarelemassimeproduttivitàdienergia Identificazionedell attritoattornoall asseε L attritosulpernodelpendoloelaresistenzaaerodinamicadellamassaoscillanteinfluenzanolarisposta delsistemainquantorappresentanounacausadidissipazionedienergia.cometestpreliminareprimadi procederealleprovepressoilcanalesièquindiidentificatotaleattritotramiteunaprovaconptospento, scafobloccatoefornendoun oscillazioneinizialeallamassa.lamassahaquindicompiutoun oscillazione smorzata fino ad arrestarsi. Utilizzando tecniche di curve fitting sui dati sperimentali si è identificato il parametrodiattritoviscosoequivalentedegliattritireali Periodo (s) 41

42 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& 1 Experimental data ε [deg] Figura'6' 'Oscillazione'smorzata'del'pendolo' Ilmodellodiattritoviscosoapplicatosulsistemapendoloinevoluzioneliberaprevedelaseguenteleggedel moto: = sin + Doveξèilfattoredismorzamentoeω d lapulsazionedelsistemasmorzato( = 1 ). L equazionelinearizzatadelmotoliberodelpendoloattornoalsuoasseèlaseguente: Chepuòessereriscrittanellaseguenteforma: Einformacanonica: Time [s] = + + = = 42

43 Dallaqualerisultacheilcoefficientedismorzamentorappresentativodegliattritièscrivibilecomesegue = 2 Laproceduradifittingaiminimiquadratiprevedeilseguenteiter: 1. scritturadellacifradierrorefraidatisperimentalielaleggedelmoto 2. variazionetramitialgoritmodiricercadelminimodeiparametridellaleggedelmoto(ξ,ω n eφ)in mododaottenerelamigliorapprossimazionedellacurvasperimentale 3. calcolodelcoefficientediattritoviscosoequivalentec IrisultatiditaleprocedurasonoesemplificatinellaFigura7eriportatiinTabella Damping evaluation - m P =3 kg ; l=.334 m Exp Best-fit ε [deg] Time [s] Figura'7' 'Curve'fitting'su'dati'sperimentali' Tabella'3' 'Prove'di'identificazione'attrito' Massa'(kg)' l'(m)' Periodo' Fattore'di'smorzamento' naturale(s)' (Nms/rad)' 3,19,929,467 3,334 1,175,743 43

44 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Sono state eseguite prove per valutare l attrito del sistema con massa di 3 kg e per due lunghezze di pendolodiverse.ilcoefficientedismorzamentoequivalentedegliattritirisultamaggioreperlunghezzadel pendolo maggiore. Questo è fisicamente accettabile in quanto gli attriti aerodinamici aumentano all aumentaredellalunghezza. 2.4 Svolgimento&delle&prove& LeprovesperimentalisisonosvoltenelcanalediprovapresentepressoilPolitecnicodiTorino,lungo5.4 melargo6mm.laprofonditàdell acquapuòesserevariatatramiteunosfioratore. Le prove consistono nel sottoporre il dispositivo, disposto nella configurazione n. 1, a onde regolari con altezza.5meperiododa.8a1.4s,percirca12secondi. Perimpedireiltrascinamentodelloscafolungoilcanaledapartedelleondeincidenti,vieneinstallatoun sistemadiormeggioancoratoalfondodelcanale Ilcanalediprova IlcanalediprovapresentepressoilPolitecnicodiTorinoèlungo5.4melargo6mm.Laprofondità dell acquapuòesserevariatatramiteunosfioratore.perlosvolgimentodeitestdescrittiinquestoreportla profonditàdell acquaèstataconfigurataa6mm. Aun estremitàdelcanaleèpresenteunbattitorechegeneral onda,chesipropagaattraversoilcanalee giunge al punto in cui è posizionato il prototipo. Parte dell onda prosegue poi oltre il prototipo fino a giungereall estremitàoppostadelcanaledovedissipalasuaenergiapressol assorbitoreiviposizionato. Partedell ondavieneriflessainveceversoilbattitore. 44

45 Figura'8' 'Layout'del'canale'di'prova' 45

46 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Ilsetupsperimentale IlprototipoèstatoposizionatonelcanalediprovapressoilPolitecnicodiTorino,ormeggiatoalfondodel canaleedèstatoconnessoaisistemidiacquisizioneecontrollo. Figura'9' 'Il'prototipo'in'assetto'di'prova'(vista'laterale)'' Figura'1' 'Il'prototipo'in'assetto'di'prova'(vista'dall alto)'' 46

47 CompactRio, inverteranddc powersupply criomanager MTimanager Ilsistemadiormeggio Figura'11' 'Il'banco'di'controllo'e'acquisizione'' Il sistema di ormeggio deve mantenere in posizione il prototipo senza alterarne la dinamica di funzionamentoacausadelleforzetrasmesse.sièquindioptatoperilsistemarappresentatoinfigura12, nelqualelacatenadiormeggiohaunestremovincolatoaunamassaappoggiatasulfondodelcanale,è collegataalgalleggiante(jumper)equindiraggiungeloscafo.lapresenzadelgalleggianteeillungotratto dicatenachelocongiungealloscafofannosìcheilsistemadiormeggiomostriuncomportamentoelastico nonlineare.talesistemanoninfluiscesulladinamicadelmotodibeccheggiodelloscafoealcontempolo trattieneinprossimitàdallaposizionepresceltalungoilcanale. 47

48 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Figura'12' 'configurazione'del'sistema'di'ormeggio' Misuradelprofilodell onda Ilprofilod ondaèmisuratoattraversodellesondeaultrasuonimostratenellafigura13epostecomeda layoutdelcanalemostratoinfigura8. Figura'13' 'Le'sonde'per'la'misura'del'profilo'd onda' 48

49 2.4.5 Misuradell angoloδ dibeccheggiodelloscafo L angolo δ di beccheggio dello scafo è misurato con il sensore inerziale MTi prodotto da Xsens. Tale sensore grazie ad accelerometri e giroscopi è in grado di misurare posizione e velocità nello spazio del corpoalqualeèvincolato.lecaratteristichedelsensoresonomostrateintabella4. Tabella'4' 'Caratteristiche'del'sensore'MTi' Modello Mti Risoluzioneangolare.5 (3) Ripetibilità.2 Peso Dimensioni 5g 58x58x22mm Figura'14' 'Posizionamento'del'sensore'MTi'sulla'piattaforma'di'base'all interno'dello'scafo' Misuradiangolo,velocitàecoppiaagentisulPTO L angoloelavelocitàdioscillazionedelpendolorelativialloscafosonomisuratiattraversoiltrasduttore resolverintegratonelpto.ilmomentotorcenteagentesulptotεpuòesserestimatotramitelacorrente che circola nel PTO, sebbene tale misura indiretta possa essere soggetta a errore (variabilità durante il funzionamentodellacostantedicoppia). Sièquindioptatoperunsistemadimisuradirettadellacoppiacompostodaunasospensionedellostatore delptoabbinataaunbraccioconcelladicaricocollegataaltelaio.inquestomodonotaladistanzafra l asse della cella di carico e l asse di rotazione del pendolo è possibile misurare la coppia di reazione scaricatadallostatoredelptosulloscafo. 49

50 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Sospensione Celladicarico Figura'15' 'Il'layout'di'misura'della'coppia'del'PTO' A=27mm B=37mm D=M6x1 E=17mm Modelname Range Sensibility UMM 41Kgfs 1mV/V Accuracy,5% 5 Figura'16' 'caratteristiche'della'cella'di'carico' Diseguitosiriportalacaratteristicadicalibrazionedelsistemadimisuradellacoppia.

51 Table'1' 'Calibrazione'del'sistema'di'misura'di'Tε' Torque'set'(Nm)' Load'cell'voltage'(V)' Epsilon'(deg)' Output'torque'(Nm)' 2,42 11,97 2,39 1,5,25 9,44 1,612 1,3 6,31 1,8,5 4,24 3,4,521 4,48,, 4,5 4,72 43,2 4, ,97 45,94 41,17 41,5 41,28 49,28 41, ,56 412,31 42, Static calibration Fitting equation: y = * x Load cell voltage (V) Output torque (Nm) Figura'17' 'Curva'di'calibrazione'del'sistema'di'misura'della'coppia' 51

52 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& IlsistemadicontrollodelPTO LaleggedicontrollodelPTOèunodeiparametrichepermettonodivariarelacoppiascambiatatraPTOe pendolooscillante,variandocosìl assorbimentodipotenzadapartedelsistema. InquesteproveilPTOèstatoregolatoinmododacomportarsicomeunsistemamollasmorzatore,con costantedielasticitàkecoefficientedismorzamentoc. = " + La legge di controllo è implementata tramite il sistema National Instruments CompactRIO. Il crio è un controllore con intelligenza a bordo e con moduli di I/O per interfacciarsi al sistema da controllare. Nel nostrocasoilcrioesegueleseguentioperazioni: 1. LetturadiposizioneevelocitàdaldriverdelPTO 2. Letturadelsegnaleanalogicoprovenientedallacelladicarico 3. ValutazionedellaleggedicontrolloeinviodelvaloredicoppiadesiderataaldriverdelPTO IldriverdicontrollodelPTOèunservosistemadicontrollocoppiacheapartiredaunsetfornitodicoppia lo impone sull asse del PTO. Tale driver fornisce in uscita le grandezze posizione e velocità del PTO e comunicaconilcriotramiteprotocolloseriale. Figura'18' 'Il'driver'del'PTO'a'sinistra'e'il'sistema'NI'CompactRIO'a'destra' 52

53 2.4.8 Metodologiadiesecuzionedelleprove Leprovesonostatesvolteconlaseguenteprocedura. 1. AvviodelsistemadiacquisizionedelmotodelloscafoMTi 2. Avviodelsistemadiacquisizionedelprofilod onda 3. AvviodelsistemadicontrollodelPTO(CompactRio) 4. Avviodelbattitoreegenerazionedell onda 5. Tempodiprovadi12s 6. Spegnimentodelbattitore 7. SpegnimentodelsistemadicontrollodelPTO(CompactRio) 8. Spegnimentodelsistemadiacquisizionedelprofilod onda 9. SpegnimentodelsistemadiacquisizionedelmotodelloscafoMTi 1. Attesadicirca1minutiperlastabilizzazionedelcanale IsistemidiacquisizionediMTi,ondeePTOsonosincronizzatitramitesegnaleditriggerinviatodalsistema CompactRio. Le prove sono state eseguite mantenendo costante l altezza dell onda generata; ne è stato variato il periodo,alfinedivalutareleprestazionidelsistemaperdiversefrequenzediondaregolarincidente. I parametridiprovasonoriportatiintabella5,mentreiparametridiconfigurazionedelprototiposono riportatiintabella6. Tabella'5' 'Onde'di'prova' Parametro' Valore' Altezzad ondapicco4picco(m),5 Periodod onda(s) Tabella'6' 'Impostazioni'del'prototipo' Parametro PTO Lunghezzapendolo Massaoscillante Massaprototipo CostantedielasticitàdelPTO(k) CoefficientedismorzamentodelPTO(c) Valore Configurazionen 1.334m 3kg 75kg Nm/rad Nms/rad Sonostateesaminatetuttelepossibilicombinazionifraperiodid ondaecoefficientidismorzamento. 2.5 Risultati&delle&prove& Ogniprovaacquisitaduranteitestèstataanalizzatapervalutareleperformancesdelsistema. Neidiagrammiriportatiinfigura18sonomostratigliandamentitemporalidellegrandezzedelPTOperla provaconperiodod onda1.3secoefficientedismorzamentodelptoparia.5nms/rad. Sipossonocosìvederegliandamentidi: 4 () =rotazionerelativapendolo4scafo 4 ()=velocitàangolarerelativapendolo4scafo 4 " =coppiaagentesull assedelgeneratore 53

54 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& 4 " =potenzaassorbitadalgeneratore 4 () =angolodibeccheggioscafo 2 15 epsilon (deg) 1-1 epsilon dot (rpm) time (s) time (s) T PTO (Nm) P PTO (W) time (s) time (s) Figura'19' 'Grandezze'misurate'al'PTO'(T'='1.3's,'c'='.5'Nms/rad)' delta (deg) time (s) Figura'2' 'Angolo'di'beccheggio'δ'dello'scafo'(T'='1.3's,'c'='.5'Nms/rad)' 54

55 Lefigureseguentimostranolasintesidelleproveeseguitepressoilcanalediprova. sqrt(2) * ε rms (deg) c=.1 c=.3 c=.5 c=.75 c=1 sqrt(2) * δ rms (deg) Wave period - T (s) Wave period - T (s) 1.5 sqrt(2) * ε rms (rad/s) dot Mean power set (W) sqrt(2) * torque set rms (Nm) Without pads Wave period - T (s) Wave period - T (s).6.5 Figura'21' 'Ampiezze'di'picco'nelle'diverse'condizioni'di'prova'delle'coordinate'ε'e'δ'(posizione'e'velocità)' c=.1 c=.3 c=.5 c=.75 c=1 Saturation Without pads Wave period - T (s) Mean power feedback (W) sqrt(2) * δ dot rms (rad/s) Mean power set (W) sqrt(2) * torque feedback rms (Nm) Figura'22' 'Andamento'di'coppia'e'potenza'sul'PTO' sqrt(2) * torque set rms (Nm) Without pads Wave period - T (s) Wave period - T (s) Without pads pads Wave period - T - T (s) (s) c=.1 c=.3 c=.5 c=.75 c=1 Saturation Without pads Wave period - T (s) 55 Mean power feedback (W) sqrt(2) * torque feedback rms (Nm)

56 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& RCW = power set/power input c=.1 c=.3 c=.5 c=.75 c=1 Figura'23' 'Andamento'Relative'Capture'Width' LaRelativeCaptureWidthèilrapportofralapotenzauscentedalPTOelapotenzaondosainingresso.La potenzaondosainingressoèilprodottofraladensitàdipotenzap w (W/m)elalarghezzadelloscafoW (m). Sipossonoestrapolareleseguenticonsiderazioni: Wave period - T (s) " = " 1. All aumentare del coefficiente di smorzamento diminuisce l ampiezza di oscillazione ε (e di conseguenza la velocità relativa ) ma incrementa la coppia sul PTO. Questo determina un equilibrio per il quale la potenza si massimizza per un determinato coefficiente di smorzamento variabileperogniperiodod onda.ogniondahaquindiuncoefficientedismorzamentoottimale permassimizzarel assorbimentodipotenza. 2. LaRelativeCaptureWidthsiattestaavalorisuperiorial3%pervaloridiperiodod ondasuperiori a1s,finoaraggiungereilmassimodi45.5%perperiodod ondadi1.3s.questotestimoniale buonecapacitàdiassorbimentodelsistema,capacediconvertire unaquotarilevantedienergia dell onda & 56

57 2.6 Validazione&del&modello&analitico& IllayoutdelmodelloanaliticodelpendolosviluppatoinambienteMatlabSimulinkèriportatoinfigura23 Figura'24' 'Implementazione'Matlab4Simulink'della'dinamica'del'prototipo' Talemodellosimulaladinamicadell interosistemaapartiredallecaratteristichedell ondainingresso. Nellefigureseguentièmostratoilconfrontodell outputdelmodelloconirisultatisperimentali. sqrt(2) * ε rms (deg) o- Experimental, - -o- - Numerical c=.1 Nms/rad c=.3 Nms/rad c=.5 Nms/rad c=.75 Nms/rad c=1 Nms/rad sqrt(2) * δ rms (deg) o- Experimental, - -o- - Numerical Wave period - T (s) Wave period - T (s) 5 -o- Experimental, - -o- - Numerical 1 -o- Experimental, - -o- - Numerical sqrt(2) * ε dot rms (rad/s) sqrt(2) * δ dot rms (rad/s) Wave period - T (s) Wave period - T (s) Figura'25' 'Andamento''delle'coordinate'ε'e'δ,'posizione'e'velocità'(confronto'numerico4sperimentale)' 57

58 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& Mean power set (W) o- Experimental, - -o- - Numerical Wave period - T (s) sqrt(2) * torque set rms (Nm) Figura'26' 'Andamento'di'coppia'e'potenza'sul'PTO'(confronto'numerico4sperimentale)' o- Experimental, - -o- - Numerical c=.1 Nms/rad c=.3 Nms/rad c=.5 Nms/rad c=.75 Nms/rad c=1 Nms/rad Wave period - T (s) sqrt(2) * torque feedback rms (Nm) RCW = power set/power input c=.1 Nms/rad c=.3 Nms/rad c=.5 Nms/rad c=.75 Nms/rad c=1 Nms/rad -o- Experimental, - -o- - Numerical Dalconfrontosievinceche: Figura'27' 'Andamento'Relative'Capture'Width'(confronto'numerico4sperimentale)' 1..8 Ilmodellosovrastimaidatisperimentali,angolodibeccheggioδ eangolodirotazionerelativa ε,.6 specialmenteinprossimitàdellecondizionidirisonanzadelsistema(periodod onda s).4 2. Simanifestanoerroririlevantinelcasodellapotenzanettaestratta Il modello implementato in ambiente Matlab4Simulink Wave period utilizza - T (s) le equazioni di Cummins per descrivere l idrodinamica dello scafo. Tale modellazione non tiene conto delle interazioni viscose del fluido con lo scafoequindièportatoasovrastimarneilcampodimoto.siattuaquindiunacorrezioneviscosabasandosi sui risultati sperimentali. Il coefficiente viscoso introduce un comportamento dissipativo del sistema e quindipermettedisintonizzareilmodellosuirisultatisperimentali. Siaggiungenelleequazioniidrodinamichetrecoefficientichedefinisconoleazioniviscosesulloscafoper ognigradodilibertà. RCW = power feedback/power input Wave period - T (s) " " " -o- Experimental, - -o- - Numerical = 58

59 Essendo l angolo di beccheggio δ l unica grandezza di scafo misurata sperimentalmente si decide di applicarealmodellolacorrezionesolamentesutalecoordinataimponendoµ x =µ z =.Sieseguequindi unaproceduradifittingaminimiquadratisull interosetupdiprovesperimentali,inmododaminimizzare l erroredelmodellosullastimadellapotenzaprodotta.ilvaloreidentificatoperµ δèparia5.1nms/rad. Tale correzione, utilizzata per ripetere il confronto modello4sperimentale su tutte le condizioni di prova, portaamiglioraresensibilmenteirisultatiditaleconfronto. sqrt(2) * ε rms (deg) o- Experimental, - -o- - Numerical c=.1 Nms/rad c=.3 Nms/rad c=.5 Nms/rad c=.75 Nms/rad c=1 Nms/rad sqrt(2) * δ rms (deg) o- Experimental, - -o- - Numerical Wave period - T (s) Wave period - T (s) 3 -o- Experimental, - -o- - Numerical 1 -o- Experimental, - -o- - Numerical sqrt(2) * ε dot rms (rad/s) Wave period - T (s) Mean power set (W) Wave period - T (s) Figura'28' 'Andamento''delle'coordinate'ε'e'δ,'posizione'e'velocità'(confronto'numerico4sperimentale,' correzione'viscosa)' sqrt(2) * δ dot rms (rad/s) o- Experimental, - -o- - Numerical Wave period - T (s) Mean power feedback (W) Mean power set (W) o- Experimental, - -o- - Numerical Wave period - T (s) Figura'29' 'Andamento'di'coppia'e'potenza'sul'PTO'(confronto'numerico4sperimentale,'correzione'viscosa)' -o- Experimental, - -o- - Numerical c=.1 Nms/rad c=.3 Nms/rad c=.5 Nms/rad c=.75 Nms/rad c=1 Nms/rad sqrt(2) * torque set rms (Nm) Wave period - T (s) sqrt(2) * torque feedback rms (Nm) o- Experimental, - -o- - Numerical c=.1 Nms/rad c=.3 Nms/rad c=.5 Nms/rad c=.75 Nms/rad c=1 Nms/rad sqrt(2) * torque feedback rms (Nm)

60 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& RCW = power set/power input c=.1 Nms/rad c=.3 Nms/rad c=.5 Nms/rad c=.75 Nms/rad c=1 Nms/rad Wave period - T (s) Figura'3' 'Andamento'Relative'Capture'Width'(confronto'numerico4sperimentale,'correzione'viscosa)' -o- Experimental, - -o- - Numerical 6

61 3 Conclusioni Nelpresentelavorosièmostratal attivitàdisperimentazionesulprototipodisistemadiconversionedi energiadamotoondosoamassaoscillante.intalesistemaleondeprovocanol oscillazionedelloscafoche latrasmettealpendolocontenutointernamente.ilmotorelativoscafo4pendoloattivaungeneratoreche produceenergiaelettrica. Il prototipo in scala realizzato in collaborazione con ENEA è stato provato sperimentalmente presso il canalediprovadelpolitecnicoditorino.itestsonostatieffettuaticonondaregolareinunintervallodi periodi compreso fra.9 e 1.4 s, in modo da avere una risposta del sistema per le diverse frequenze dell ondaincidente.inoltreilparametrosmorzantedellaleggedicontrollodelgeneratoreèstatovariato peridentificarelemassimepotenzeestraibiliaogniperiodod onda. Irisultatidellacampagnaditestsonostaticonfrontaticonunmodellonumericodelsistemacheapartire dall ondainingressosimulaladinamicadelsistemaelapotenzaprodotta.talemodelloabbinatoauna proceduradisintonizzazionehaprodottounabuonaconcordanzaconidatisperimentali. Ulteriorivalutazionidellacapacitàdiconversioneenergeticadelprototipononchéaffinamentialmodello possono essere svolti estendendo la campagna di prova ad altre condizioni ondose, differenti leggi i controllodelptoeconfigurazionidelsistemaoscillante. Unapossibilemodificaall attualelayoutdiprovariguardalamessaapuntodiunsistemadicontrollodel prototipo wireless (telemetria) per evitare l influenza dei cavi di segnale e di potenza sulla dinamica del sistema.inoltrelosvolgimentodelleproveinunbacinoconmaggioreprofonditàdell acquagarantirebbela riduzionedelleinterazionidelsistemaconilfondale. L espansione della campagna di prova abbinata agli adattamenti del prototipo permetterebbero una maggiorevalidazionedelmodelloinognicondizionedifunzionamento.ilmodellopotràcosìessereusato perunastimadellecapacitàdelsistemareale.inoltre,nell otticadiprocedereallarealizzazionedelsistema inscalareale,ilmodellovalidatopuòessereusatoancheperlaprogettazionediprototipiascalamaggiore seguendolaroadmappropostadalprogettoequimar. 61

62 ACCORDO&DI&PROGRAMMA&MSE-ENEA& 4 Riferimentibibliografici [1]&Giovanni&Rinaldi,&Approcci&fisico-matematici&per&lo&sviluppo&di&dispositivi&inerziali&per&la&produzione&di& energia&dal&moto&ondoso,&rapporto&tecnico&enea&(in&preparazione)& [2]& Simone& Drocco,& Analisi& dinamica& di& un& sistema& per& la& produzione& di& energia& da& moto& ondoso& con& architettura&a&pendolo,&tesi&di&laurea&politecnico&di&torino& [3]&&Giovanni&Bracco&et&al.,&A&Pendulum&based&Wave&Energy&System,&atti&del&convegno& Energia&dal&mare& & Le&nuove&tecnologie&per&i&mari&italiani,&ENEA&1&e&2&luglio&214& & [4]&Stefano&Roveda,&EXPERIMENTAL&ANALYSIS&OF&A&PENDULUM&BASED&INERTIAL&SEA&WAVES&CONVERTER& Bachelor&Thesis,&Politecnico&di&Torino,&214.& [5]& Perez,& Tristan,& and& Thor& I.& Fossen.& "A& matlab& toolbox& for& parametric& identification& of& radiation-force& models&of&ships&and&offshore&structures."&(29):&1-15.& [6]&Fossen,&Thor&I.,&and&Øyvind&N.&Smogeli.&"Nonlinear&time-domain&strip&theory&formulation&for&low-speed& manoeuvering&and&station-keeping."&modeling,&identification&and&control&25.4&(24):& & [7]& EquiMar& Deliverable& 3.3& Assessment& of& current& practice& for& tank& testing& of& small& marine& energy& devices,&accessed&september&214,& 62