Studio di massima di un aerogeneratore di alta quota autosostentato

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Sede di Bologna ELABORATO FINALE DI LAUREA in Disegno Tecnico Industriale Studio di massima di un aerogeneratore di alta quota autosostentato CANDIDATO Andrea D Elia RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli CORRELATORI Prof. Ing. Enrico Troiani Prof. Ing. Gianni Caligiana Anno Accademico 2005/2006 Sessione III

2 Finalità Modellazione di un aerogeneratore di corrente elettrica ad asse orizzontale capace di autosostentarsi ad un altitudine di circa 4000 m con venti di velocità variabile tra i 60 e 130 km/h

3 Processo di realizzazione Analisi delle condizioni atmosferiche Studio dell assetto dell aerogeneratore Scelta del materiale Dimensionamento delle parti Analisi strutturale

4 Condizioni atmosferiche in quota

5 Condizioni atmosferiche in quota In Italia si notano condizioni quasi ottimali per lo sfruttamento di questa risorsa. Ci sono buone prospettive anche per l intero Mediterraneo settentrionale Le migliori condizioni al mondo si trovano nell Sud Atlantico sull isola di Sant Elena ( Isola di Gough )

6 Studio dell assetto dell aerogeneratore Volo orizzontale a regime Equilibrio delle forze esterne Portanza P = ½ ρ V² S Cp = Q Peso Resistenza R = ½ ρ V² S Cr = T Trazione Osservazione : nel nostro caso, non avendo propulsione, la Trazione è dovuta al cavo che mantiene l aerogeneratore vincolato al suolo

7 Studio dell assetto dell aerogeneratore Ala ad assetto fisso angolo di calettamento dell ala dovrà essere tale da garantire l autosostentazione anche in situazioni di salti di vento La Portanza prodotta dall ala in condizioni di regime (vento a 100 km/h ) sarà maggiore della forza Peso Sul cavo di ancoraggio si scarica anche la forza ( Pmax Q )

8 Scelta del materiale Da un confronto tra i materiali per costruzioni aeronautiche più usati, la Materiale Fibra di vetro Densità [kg/m 3 ] 2400 Resist. Trazione [Mpa] 300 Modulo elastico [Mpa] fibra di carbonio Fibra di carbonio risulta quella dalle caratteristiche meccaniche migliori Kevlar

9 Dimensionamenti Ala Il profilo scelto fa parte della categoria LS (low speed): NASA-LANGLEY LS(1) GA(W) Buona stabilità Bassa resistenza alla corrente d aria Buone caratteristiche strutturali

10 Dimensionamenti Ala La determinazione dei parametri dell ala è stata eseguita, con l aiuto del software Profili 2.18, secondo il REPORT NACA TR 572 (Metodo di progettazione per ali trapezie)

11 Dimensionamenti Ala Apertura alare b = mm Corda alare alla radice Cr = 1500 mm Corda alare all estremità Ct = 750 mm Allungamento alare λ = 6,8 Rapporto di rastremazione r = 0,5 Svergolamento θ = 0

12 Dimensionamenti Carlinga Ingombri: Lunghezza 2672,74 mm Larghezza 250 mm Altezza 1471,79 mm

13 Dimensionamenti Coda Ingombri: Lunghezza 5063,78 mm Larghezza 3000 mm Altezza 970 mm

14 Analisi strutturale Struttura La struttura dell ala è costituita da 50 strati di carbonio, dello spessore di 0,1 mm, sovrapposti per uno spessore totale di 5 mm, formati secondo il profilo aerodinamico dell ala Disposizione dei fogli di fibra di carbonio

15 Analisi strutturale Sollecitazioni L ala viene verificata ai vuoti d aria Q N peso del velivolo fattore di carico 500 kg 166 kg accelerazioni di b/2 K semiapertura alare coefficiente di sicurezza 8 m 1,9 6G Q6G = N E σ modulo elastico del materiale tensione rottura Mpa 300 Mpa Per restare in sicurezza ipotizziamo il carico distribuito uniformemente sulla lunghezza dell ala con una maggior concentrazione sul bordo d attacco.

16 Analisi strutturale Risultati dell elaborazione al computer con software F.E.M. Sollecitazione equivalente Deformazione equivalente L elaborazione ha riscontrato un picco di sollecitazione di 76 MPa e una deformazione massima di 1,2 mm.

17 L elica controrotante Vantaggi rispetto al caso di due eliche singole minor ingombro e riduzione della coppia di reazione a discapito di una maggiore complicazione strutturale riduzione diametro del 25% a parità di potenza ottenibile Potenza ottenibile con diametro pari a 2 metri : 22 kw

18 Il complessivo

19 Il complessivo

20 Il complessivo

21 Funzionamento Fase di posizionamento e messa a regime: collocazione in quota con un pallone o un aerostato stabilizzazione dell assetto recupero a terra del pallone messa in moto del generatore

22 Funzionamento Fase di ritiro: attivazione dei diruttori di flusso per abbattere la portanza apertura paracadute atterraggio assistito

23 Evoluzioni possibili Alleggerimento complessivo in base a studi sulla sollecitazione a fatica Installazione pannelli fotovoltaici per sfruttare al massimo le capacità produttive del sistema

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