ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA STUDIO DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE IBRIDA PER IMBARCAZIONE A VELA

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1 ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA D.I.E.M. TESI DI LAUREA in DISEGNO TECNICO INDUSTRIALE STUDIO DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE IBRIDA PER IMBARCAZIONE A VELA CANDIDATO Giuliani Marco RELATORE: Chiar.mo Prof. Alfredo Liverani CORRELATORE/CORRELATORI Chiar.mo Prof. Domenico Casadei Chiar.mo Prof. Gianni Caligiana Chiar.mo Prof. Francesco Cesari Anno Accademico [es.:2008/09] Sessione I 1

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3 INDICE Introduzione... 5 VEICOLI ELETTRICI IBRIDI... 5 Descrizione delle tipologie... 7 Sistema di propulsione per imbarcazione a vela... 8 Obiettivi e problemi tecnologici da affrontare... 8 Come la propulsione elettrica-diesel fa diminuire i consumi di carburante Il fattore elica Ottenere ulteriori miglioramenti utilizzando generatori multipli Riassunto Progetto sistema di propulsione L elica Scelta dell elica Valutazione della potenza di propulsione Teoria impulsiva: analisi dei triangoli di velocità Valutazione della potenza di propulsione La trasmissione Cinghia Progetto di un sistema di propulsione ibrida con schema in serie Modelli di funzionamento Strategie di controllo Dimensionamento del sistema e scelta dei vari componenti Valutazione prestazioni del sistema Valutazione del rendimento del sistema Valutazione del rendimento del sistema sail drive Confronto dei sistemi Rigenerazione Pannelli solari Valutazione energetica Peso del sistema ibrido Costi del sistema Cella a combustibile Veicoli con celle a combustibile Cella a combustibile per yacht

4 Valutazione del peso: Analisi dei costi Conclusioni BIBLIOGRAFIA

5 Introduzione VEICOLI ELETTRICI IBRIDI Questa tipologia di veicoli hanno i vantaggi di entrambe le tipologie tradizionali di propulsione, il motore a combustione interna e i veicoli elettrici, infatti hanno delle buone prestazioni in un vasto range di funzionamento utilizzando l elevata densità di energia del carburante e l efficienza e il basso impatto ambientale dovuta alla emissioni di sostanze inquinanti nulle dei veicoli elettrici. Inoltre si riesce a superare gli svantaggi che presentano entrambe le tipologie quali la durata limitata della carica delle batterie, la differenza che c è tra i punti di funzionamento ad alta efficienza del motore a combustione con i requisiti richiesti dall applicazione e la dissipazione di energia cinetica nella frenata. Riguardo alla frenata è infatti possibile recuperare l energia cinetica e utilizzarla per ricarica le batterie. Esistono tre diverse tipologie di sistemi per l'integrazione di un motore endotermico ed una macchina elettrica: ibrido serie, ibrido parallelo e ibrido misto. Qui sotto sono indicati i principali schemi di funzionamento con le caratteristiche principali. 5

6 IBRIDO SERIE Motore a combustione interna collegato ad un generatore elettrico che alimenta il gruppo batteria che a sua volta alimenta il motore elettrico collegato alle ruote Il motore termico non segue dinamicamente la richiesta di potenza ma lavora sempre con alti rendimenti all interno del gruppo elettrogeno. Sistema elettrico molto pesante. IBRIDO PARALLELO Motore a combustione interna e motore elettrico collegati contemporaneamente alle ruote. Sistema elettrico più leggero. Minore riduzione dei consumi e delle emissioni rispetto alla configurazione seriale. Logica di controllo dei flussi di potenza complessa. IBRIDO MISTO 6

7 Motore estremamente versatile e permette di passare dalla configurazione parallelo a serie e viceversa. Sistema molto complesso Sistema che soddisfa la più vasta tipologia di richiesta di potenza. Controllo complesso da realizzare Descrizione delle tipologie I motori ibridi sono stati già sviluppati negli ultimi anni all interno del settore automotive perché sono una valida alternativa ai motori tradizionali. Le sperimentazioni fatte mettono in luce anche i risultati ottenibili con le varie configurazioni. Si osserva che la schema in serie è quello che permette un risparmio di carburante maggiore e quindi un emissione di sostanze inquinanti minore, questo è dovuto al fatto che la richiesta di potenza è soddisfatta interamente dal motore elettrico. Il diesel si accende solo quando il livello di carica delle batterie si abbassa sotto una certa soglia e va ad alimentare sia il motore elettrico sia le batterie fino a raggiungere nuovamente la carica ottimale. Quindi si ha un disaccoppiamento tra la produzione di energia e la produzione di potenza che permette al motore diesel di lavorare sempre con alti rendimenti a un regime di rotazione costante e nella parte dedicata alla generazione di potenza abbiamo un motore elettrico che si può adattare con facilità a tutte le richieste di potenza; inoltre si sfrutta anche la sua silenziosità e la possibilità di recuperare l energia cinetica in fase di frenata. Lo schema parallelo invece utilizza le due fonti di energia contemporaneamente e sono state sviluppate diverse configurazioni dove i due motori lavorano sulla stessa trasmissione oppure separatamente sulle due trasmissioni, posteriore e anteriore, per distribuire la potenza sulle quattro ruote. Questo permette un risparmio di carburante perché si ha bisogno di un motore a combustione di taglia più piccola a parità di prestazioni del veicolo e perché con i moderni sistemi di controllo è possibile spegnere il motore e riaccenderlo con facilità negli stop and go, che sono frequenti per questi veicoli. Il motore elettrico viene utilizzato quando si hanno dei picchi di richiesta di potenza e per effettuare la frenata rigenerativa. Grazie alla presenza del motore elettrico è possibile anche eliminare l alternatore e il motorino di avviamento in alcune configurazioni. 7

8 Sistema di propulsione per imbarcazione a vela Obiettivi e problemi tecnologici da affrontare L obiettivo del progetto è l individuazione e la realizzazione di un sistema di propulsione a basso impatto ambientale per barche a vela di lunghezza approssimativamente attorno ai 50 piedi al fine di ottenere per l imbarcazione la classificazione Green Yacht Star dall ente di certificazione RINA. L Italia è il paese europeo che vanta il maggior numero di aree marine protette la cui istituzione è regolata da un Decreto del Ministero dell Ambiente che risponde alle direttive contenute nelle leggi 979/1982 e 394/1991 con gli ampliamenti previsti dalle Leggi n. 344 dell'8 ottobre 1997 e n. 426 del 9 dicembre del Poiché tra i divieti generali fissati dalla legge 394/1991 vi è la navigazione a motore, si è deciso di studiare e progettare un sistema di propulsione a basso impatto ambientale, senza alcun tipo di emissioni inquinanti, da impiegare su barche a vela per permettere agli armatori di accedere a queste aree protette. Per adempiere a questi obbiettivi sono state analizzate varie tipologie di propulsione e una valida alternativa da seguire è stata individuata nel motore ibrido diesel-elettrico con configurazione in serie perché disaccoppiando la generazione di energia dal circuito di potenza per la propulsione permette di entrare all interno dei parchi marini utilizzando la propulsione elettrica alimentata dalle batterie. Questa alternativa porta anche il vantaggio del funzionamento del motore sempre ad elevati rendimenti e quindi si ha una riduzione dei consumi, fattore importante per l autonomia dell imbarcazione, una riduzione dell emissione di sostanze inquinanti e una maggior silenziosità in tutte le condizioni di funzionamento. Tutte le configurazioni ibride hanno lo svantaggio di aumentare il peso complessivo del veicolo dovuto soprattutto alla grandezza del gruppo batterie che devono assicurare un livello di potenza abbastanza elevato per un periodo di tempo considerevole. Questo aspetto negativo però può essere ovviato in una imbarcazione a vela utilizzando il peso delle batterie come zavorra per aumentarne la stabilità determinando la posizione migliore. Inoltre lo sviluppo dei veicoli ibridi a portato anche allo sviluppo di accumulatori più efficienti, più leggeri e più compatti. 8

9 Un altro aspetto considerevole di questa tipologia di propulsione e la rigenerazione. Per la maggior parte del tempo infatti si navigherà a vela e questo ci permette di ricaricare facilmente le batterie lasciando l elica aperta e libera di farsi trascinare dal flusso che l attraversa e cosi possiamo utilizzare il motore elettrico come generatore. La rigenerazione potrà quindi essere la fonte principale per produrre energia però è necessario affiancarla da altre per rendere l imbarcazione autonoma sotto ogni condizione di funzionamento con particolare riguardo al funzionamento nei parchi marini. Si dovrà valutare l utilizzo dell energia solare in abbinamento a quella eolica. Si è visto infatti che riescono a compensarsi perfettamente. L eolica da sfruttare su una imbarcazione non può fornire potenze elevate per l impossibilità di adottare grandi generatori però il vento ha una presenza costante nell arco delle 24 ore e quindi riesce a contribuire alla ricarica delle batterie. I pannelli fotovoltaici hanno un periodo di funzionamento più limitato perché legati alla loro fonte però lo sviluppo degli ultimi anni ha portato all aumento della efficienza e alla diversificazione delle tipologie. Pannelli flessibili si possono applicare infatti alla coperta dello scafo e soprattutto si vuole sfruttare la grande superficie velica per produrre energia applicando un film fotosensibile o utilizzando delle vele di tessuto fotosensibile sviluppato recentemente e in fase di sperimentazione. Un altra tecnologia considerata che risulta idonea agli scopi del progetto è la cella a combustibile che può sostituire il generatore diesel e ha il vantaggio di poter funzionare anche all interno delle zone protette dovuto al fatto che, praticamente, non produce emissioni inquinanti. Sono già presenti sul mercato alcune soluzioni interessanti che verranno esaminate per verificarne l applicabilità. I vantaggi di questa tecnologia sono anche, la flessibilità di funzionamento, l elevato rendimento in tutte le condizioni di esercizio e la silenziosità, tutti aspetti estremamente delicati per applicazione che è oggetto di studio. 9

10 Come la propulsione elettrica-diesel fa diminuire i consumi di carburante Per la maggior parte degli armatori il miglioramento dell efficienza del consumo di carburante occupa una posizione elevata sulla lista degli aspetti quando considerano i vantaggi di un sistema di propulsione ibrida elettrica-diesel. Mentre è chiaro che la tecnologia può migliorare il risparmio di carburante (questo è, dopo tutto, uno dei principali fattori di spinta per lo sviluppo di navi commerciali diesel-electrica), poche persone nel settore imbarcazioni da diporto conoscono come lo fa. Sembrerebbe che, se mai, l'aggiunta di un generatore e un motore e tra il motore e l'elica (non importa quanto siano efficienti) dovrebbe semplicemente introdurre ulteriori perdite che altrimenti non vi sarebbero. Come possono le aggiunte più conversioni di potenza e le perdite ad esse associate migliorare il rendimento del carburante? Come vedrete nella prospezione che segue, quello che la tecnologia di propulsione diesel-elettriche fa è quello di creare il potenziale di risparmio di carburante. E non, in sé e per sé, fornirlo automaticamente. Comprendere le questioni tecniche che influenzano l economia di carburante è importante per il potenziale acquirente, dal momento che non tutti i sistemi diesel-elettriche sfruttano i vantaggi di questo potenziale. Per cominciare, va riconosciuto che l'immissione di un motore e generatore tra l elica e il motore diesel effettivamente introdurre nuove perdite nella trasmissione. Queste perdite possono variare da relativamente basse a molto significativo e che sono direttamente proporzionali alla efficienza del motore, del controller del motore e generatore. Diverse tecnologie di motore e di metodi costruzione portano a risultati di prodotti con rendimenti molto diversi. Utilizzo di un numero maggiore di lamierini sottili si tradurrà in un più efficiente, anche se più costoso, motore o generatore che se sono costruiti utilizzando meno lamierini e più spessi. Allo stesso modo,avere un risparmio energetico nel controllore significa spendere di più per il chip elettronici che controllano il flusso di potenza. Non è solo una questione di spesa di denaro, ma anche una di sviluppo e applicazione della tecnologia più appropriata. Alcuni modelli di motore sono abbastanza efficienti a una velocità/condizione di carico, per scendere rapidamente non appena si modifica la velocità o la condizione di carico. Altri hanno curve di rendimento molto più piatte. 10

11 L'impatto collettivo di queste differenze possono essere enormi, con una efficienza reale operativa che varia dal 98% al 72% per i motori e in genere tra 97% e 84% per i generatori. Ciò significa che per ogni 100 cv del motore si può ottenere al massimo 95 cv all albero elica o nella condizione peggiore 61 cv. Tenuto conto di tali perdite elettriche, è veramente possibile migliorare l'efficienza energetica? La risposta è chiaramente sì, fintanto che la base di efficienza del motore, generatore e controller è alto. Potete fare affidamento sul fatto che è possibile migliorare l'efficienza di altre parti del sistema di più delle nuove perdite che avete introdotto. Fortunatamente, se le perdite dell'impianto elettrico sono relativamente basse, questo non è troppo difficile da fare. Risulta che ci sono molte limitazioni insite nel convenzionale sistema diesel diretto dovute all emissione del motore. Facendo un uso più efficiente dei motori e delle eliche è possibile recuperare più potenza delle perdite dovute alla conversione elettrica. Il fondamento di questo risparmio sta nel fatto che, in un buon progetto del sistema ibrido elettrico-diesel, la potenza necessaria all elica è "disaccoppiata" dalla velocità di rotazione del motore diesel. In altre parole il motore / generatore potrebbe teoricamente essere in esecuzione a velocità massima (100% della produzione), mentre l'elica gira a solo il 50% della velocità di picco e il motore è dimensionato per gestire tale potenza. Allo stesso modo, se l'elica è leggermente caricata, il motore / generatore potrebbe aver solo bisogno di girare a bassa velocità per fornire energia sufficiente a guidare l elica a pieno ritmo. Ciò significa che i sistemi diesel-elettrici possono essere molto meglio ottimizzati per ospitare diversi carichi rispetto ai sistemi convenzionali. In mare, le condizioni di carico cambiano a seconda del viaggio (numero di passeggeri), con l'ora (vento e maree) e con i minuti (salendo un'onda o navigando verso il basso di essa). Queste variazioni forniscono un'opportunità significativa per il risparmio di combustibile. Per capire meglio come funziona prima bisogna analizzare il rendimento del carburante di un tipico motore diesel marino. 11

12 B A Il primo grafico mostra la potenza di picco di produzione del motore a varie velocità (top line) e la quantità di energia che l elica è in grado di sfruttare dal motore (linea inferiore). Il secondo grafico mostra la quantità di carburante consumato dal motore a varie velocità. Ciò che non è immediatamente evidente è che questo rispecchia il consumo di combustibile necessario per produrre la curva di potenza dell elica, non la potenza di picco di uscita del motore. Al massimo dei giri (punto "A"), non importa quale si considera, in questo punto infatti, le potenze coincidono. In generale, la maggior parte dei navigatori ridurrebbero l acceleratore fino a circa 2700 rpm (punto "B")per contenere i consumi ed conservare un buon livello di potenza. A questo giri il motore produce 36,75 kw, ma solo 28,5 kw vengono utilizzati quindi nel punto "B" sulla curva del carburante corrisponde il punto 28,5 kw e non 36,75 kw. 12

13 Facendo riferimento al grafico a sinistra, al punto "A" è il motore che consuma 12,85 litri di carburante all'ora. In termini di efficienza dei carburanti, ciò si traduce a 0,329 litri di carburante per ogni kw prodotto. Quando l acceleratore è nella posizione B il propulsore non è più posizionato a pieno carico sul motore e il consumo di carburante è di 11,85 litri/ ora, 0,415 litri per kw e non 0,322. Se dovessimo continuare a diminuire i giri fino a 1400 rpm con l acceleratore, il motore potrebbe produrre più di quattro volte la potenza necessaria all elica e l'efficienza del carburante scenderebbe a 1,25 litri per kw. Chiaramente, in termini di efficienza dei carburanti, il punto "B" è la posizione migliore. Ma perché? Solitamente un motore caricato al 100% ha un consumo maggiore di combustibile. Si dovrebbe ottenere una diminuzione del consumo per regimi più bassi. Se questa è stata la situazione si dovrebbe vedere un ulteriore miglioramento quando ci spostiamo a 1400 rpm ma così non è. Questo lascia aperta la questione su quale altra combinazione carico / velocità migliorerebbe efficienza. Per un sistema diesel convenzionale diretta la questione è irrilevante, poiché il rapporto velocità / potenza del motore e il rapporto velocità / carico sono direttamente collegati. Sono ciò che sono e l unico modo per cambiare la loro relazione sarebbe quello di inserire una elica a passo variabile. Per indagare ulteriormente questo aspetto, diamo un'occhiata al grafico prodotto da un diverso, ma altrettanto conosciuto motore di dimensioni simili. Questo motore è quello che è stato montato sull ultima imbarcazione prodotta della stessa taglia di quella oggetto di studio. Il motore è già stato limitato nella sua velocità massima e viene fatto girare in una zona dove si è cercato di minimizzare i consumi e soddisfare le richieste di potenza dell elica. Ci si aspettano miglioramenti anche se non sostanziali. Il ragionamento risulta comunque valido e fondamentale per eseguire un buon progetto. 13

14 45 Potenza volvo d2 55 hp con tasso di consumo costante Potenza (kw) Velocità di rotazione(rpm) Potenza diesel 4,1 kg/h 4,9 kg/h 5,74 kg/h 6,5 kg/h 7,3 kg/h 8,6 kg/h 9,4 kg/h 10 kg/h 10,5 kg/h Pot elica Questa tabella confronta anche la potenza motrice totale prodotta ( "Potenza diesel"), con il carico che può essere trasmesso da un propulsore trovato ( "Pot elica"). Inoltre, essa mostra la quantità di potenza che può essere prodotta a vari regimi del motore per un dato tasso di consumo di carburante. Un rapido sguardo mostra in modo rapido che la questione dell efficienza del carburante è molto più complessa rispetto a quella indicata nel grafico precedente. Ad esempio, date un'occhiata al punto # 1 e # 2. Entrambi mostrano il motore con 27 kw di carico. Al punto # 1, il carico è applicato ad un regime di 2000 rpm. A questa velocità il motore sta producendo 27kW per cui è completamente caricato. Al punto # 2, la velocità del motore è 3000 rpm ed è caricato per solo circa il 70% del suo potenziale. Al punto # 1 il motore consuma 6,5 kg / ora per gestire i 27kW di carico (0,24 kg per kw). Tuttavia, al punto # 2 richiede 7,3 kg / ora per lo stesso carico, 12% in più di quelli richiesti a velocità inferiore. 14

15 Ora attraverso il seguente esempio di una barca che deve rientrare in porto velocemente e applicando le considerazioni fatte ad un sistema tradizionale diesel vediamo cosa si ottiene. Assumiamo che il gas è fissato per un rapido ritorno al porto e detiene il motore in un rapporto costante ad alta velocità:3000 rpm. Come ogni onda passa sotto la poppa della barca, il carico sul propulsore è notevolmente ridotto e temporaneamente (per 27 kw per la fini di questo esempio). Durante questo periodo il consumo di carburante del motore è di 7,3 kg / ora (punto # 2 sul nostro grafico). Dopo che l'ondata passa, aumenta il carico e il consumo di carburante aumenta a 10,5kg / ora. Se si assume che il motore è a pieno carico il 50% del tempo e leggermente caricato Il 50% delle volte la media di carburante su questo viaggio di ritorno è 8,9 kg/ora. Se la barca ha avuto un buon progetto del propulsore diesel-elettrico, la velocità di motore diesel deve essere "disaccoppiata" dalla velocità del propulsore. Quando la barca naviga verso il basso l'onda e il carico viene rimosso dal propulsore, il motore(generatore) risponderebbe rallentando. A questa velocità il motore è in funzione in modo più efficiente con un consumo di carburante di soli 6,5 kg/ora (punto # 1 sul grafico). Dopo che l'onda passa e di nuovo il propulsore è a pieno carico, la motore(generatore) accelera e il consumo di carburante torna al 10,5 kg/ora. Con un buon progetto del sistema il consumo medio di carburante sul viaggio di andata e ritorno è 8,5 kg/ora un risparmio di 4,5%. Questo esempio illustra un modo in cui la propulsione diesel-elettriche può risparmiare carburante,con un adeguamento automatico alle condizioni del carico, costantemente, caratteristica di ogni viaggio in mare. Tuttavia, non tutti i sistemi diesel-elettrico approfittano di questa opportunità. Più di un produttore sostiene che il loro sistema "migliora l'efficienza dei carburanti, eseguendo il generatore ad una velocità costante ". A sostegno di tale affermazione ricordano che i motori ibridi nelle automobili non variano la loro velocità. Quello di cui non si può non rendersi conto è che, in un sistema ibrido automobilistico, il motore diesel funziona solo se e quando verrà caricato correttamente,o per accelerare la macchina direttamente e / o per la carica della batteria. Questo non è il caso di una applicazione marina. Sistemi ibridi elettrici delle automobili, hanno senso se l'enorme energia dovuta alle fluttuazioni di accelerazione e frenata giustifica il "cuscinetto" di una batteria. In campo marino le fluttuazioni di potenza sono presenti ma non sono così drammatiche e si verificano su scale temporali diverse. In mare, sistemi 15

16 diesel-elettrici che incorporano generatori in grado di variare la loro velocità in modo che corrisponda al carico da fornire realizzano il miglior rendimento del carburante. Il fattore elica Il disaccoppiamento della velocità del motore e la potenza di uscita dall elica offre anche la opportunità per migliorare sostanzialmente l'efficienza elica. Non è insolito che motori diesel convenzionali dissipino il 50% della loro potenza attraverso l elica. Questo presenta un altro grande opportunità di risparmio. I dettagli di ciò che rende un elica più efficiente rispetto ad un altra è affrontato nel capitolo dedicato alle eliche. Ciò che conta è che alcuni propulsori sono effettivamente più efficiente rispetto ad altri. In generale, un miglioramento dell'efficienza del propulsore si ottiene aumentando il diametro e facendo ruotare l'elica più lentamente. Quindi, se è davvero così semplice, perché sono convenzionali sistemi di azionamento che funzionano in modo inefficiente? Ci sono tre ragioni principali. Due di queste, il sovraccarico del motore e pochi controlli a bassa velocità, sono facilmente risolvibili con il passaggio ad una propulsione diesel-elettrica. La terza, ha più grande spazio per una proposta, di solito può essere affrontata in fase di progettazione una volta che le altre due questioni sono state affrontate. Per ottenere una comprensione del modo in cui una propulsione diesel-elettrica consente di utilizzare eliche più efficienti, si riferiscono ancora le stesse curve di fabbricazione del motore che abbiamo usato all'inizio. Come discusso in precedenza, questo grafico mostra la differenza tra la quantità di potenza prodotta dal motore e la quantità che può essere assorbita dal propulsore a qualsiasi velocità. Per questo particolare motore la curva dell elica rappresenta il rendimento di un elica a due pale, e un elica a tre pale. Nel caso di quest ultima la superficie aggiuntiva della terza pala riduce la slittamento e richiede una riduzione del passo di per ottenere la stessa curva di potenza. Se il passo non fosse stato ridotto la curva dell'elica sarebbe qualcosa di simile a questo: 16

17 50 Potenza volvo d2 55 hp con tasso di consumo costante Potenza (kw) Velocità di rotazione(rpm) Potenza diesel 4,1 kg/h 4,9 kg/h 5,74 kg/h 6,5 kg/h 7,3 kg/h 8,6 kg/h 9,4 kg/h 10 kg/h 10,5 kg/h Pot elica Pelica 3 pale La terza lama ha migliorato la presa (ridotto il rischio di scivolamento) della lama di acqua che rende più efficace l elica nello sfruttare la potenza del motore e la sua conversione in spinta. Poiché il passo è rimasto la stesso, la curva di potenza del propulsore è spostata in alto. La curva dell elica e del motore ora si incontrano nel punto "A", che è di 200 rpm prima che il motore raggiunga la velocità massima permessa. L'effetto netto di questo cambiamento potrebbe essere: L efficienza dell elica può rimanere la stessa dell elica con due pale. La massima velocità del motore sarebbe ridotta da 3000 a 2800 rpm. Il motore non potrebbe essere sovraccaricato dal momento che le curve del motore e dell elica convergono dopo che il motore sviluppa la potenza di picco. Nel range intermedio di velocità del motore, la velocità della barca dovrebbe aumentare dal momento che maggior potenza è trasmessa all acqua. 17

18 La velocità ai regimi massimi rimane sostanzialmente la stessa poiché a questi regimi si ha una ridotto calo di scivolamento. La velocità della barca al minimo potrebbe aumentare il che ridurrebbe a bassa velocità la manovrabilità. Potrebbe migliorare l'efficienza del carburante? E impossibile fare una determinazione sulla base delle informazioni fornite in queste tabelle. Poiché l'elica di diametro (e, di conseguenza. I efficienza) rimane la stessa, non vi sarebbe alcun miglioramento qui. Su tutto il range di velocità il motore sarebbe più vicino al funzionamento a pieno carico. Questo può o non può tradursi in una migliore economia di combustibile. Senza avere a disposizione quelle curve è impossibile sapere. Sappiamo che siamo in grado di aumentare l'efficienza dell elica, aumentando il diametro. Vediamo cosa succede quando si passa ad un diametro maggiore. 60 Potenza volvo d2 55 hp con tasso di consumo costante Potenza(kW) B A Velocità di rotazione(rpm) Potenza diesel 4,1 kg/h 4,9 kg/h 5,74 kg/h 6,5 kg/h 7,3 kg/h 8,6 kg/h 9,4 kg/h 10 kg/h 10,5 kg/h Pot elica Pot elica(3 pale, D maggiore) 18

19 La curva dell elica si sposta ancora più in alto sul grafico della potenza. Possiamo vedere che le curve di potenza dell'elica e del motore ora si incrociano ben prima che il motore sviluppa la potenza massima. Mettere questo propulsore sulla barca potrebbe: Migliorare l'efficienza dell elica. Ridurre la velocità massima del motore a 2500 rpm. Sovraccaricare il motore a pieno gas. Completamente carico, ma non sovraccaricare il motore a range intermedi di velocità. Aumentare la velocità della barca a range intermedi a causa di una maggiore velocità di trasmissione di potenza per l'acqua. Ridurre la velocità della barca a causa del ridotto numero di giri del motore (con nessun aumento in passo). Aumentare la velocità della barca al minimo con l'ulteriore riduzione manovrabilità a bassa velocità. Può il rendimento del consumo di combustibile essere aumentato? Certamente non alla velocità massima, in sovraccarico i motori non sono molto efficienti. Sappiamo che un elica più grande è più efficiente quindi vi sono molte probabilità che ciò si traduca in una migliore efficienza dei carburanti nel basso e medio campo di velocità. Per determinare l'efficienza del carburante della nuova configurazione abbiamo bisogno di quantificare il miglioramento della efficienza e l'elica, calcolare che impatto avrà il carico, più elevato, sull efficienza del consumo di carburante del motore. Possiamo stimare il miglioramento elica di circa il 7%, ma per determinare l'effetto sul motore, abbiamo bisogno di maggiori dettagli sulla efficienza del motore quando si hanno cambiamenti di carico e velocità. Questi grafici mostrano la curva dell elica originale e la nuova,la curva dell elica più grande rispetto alla curva di potenza del motore. I punti ( "B") indicano le combinazioni di velocità del motore / carico per ottenere il massimo rendimento del carburante nel motore. Quindi risulta che l elica, spostando la curva verso l'alto, opera nella zona di efficienza di picco del motore, nella zona dove si hanno le potenze maggiori. Confrontando la nuova proposta a quella originale, si può vedere che il risparmio di 19

20 carburante del motore potrebbe migliorare con una media del 5% nel basso e medio regime di velocità. Naturalmente, non possiamo davvero usare questo propulsore in quanto abbiamo ancora il punto "A", problema che non solo limita la velocità della barca, ma porta al sovraccarico e infine può distruggere il motore. Un modo per aggirare il problema sarebbe quello di passare ad un più alto rapporto di riduzione nella trasmissione. Questo permetterebbe di utilizzare l elica più grande, ma anche richiedere al motore di girare a velocità più elevate anche nel campo medio delle velocità. Con questo si guadagna il 7% di miglioramento di efficienza dell elica, ma si tira fuori anche il risparmio di carburante del 5% ottenuto dall utilizzo in modo più efficiente il motore. L utilizzo della propulsione ibrida diesel-elettrica permette di evitare questo compromesso. Se la barca fosse ibrida, si sfrutterebbe a pieno la potenza del motore e la potenza sarebbe disponibile all elica a prescindere della velocità di rotazione. Il motore convenzionale sulla nostra barca va in sovraccarico perché la potenza necessaria per attivare l'elica supera la potenza prodotta dal motore a quella velocità (punto "A"). Il motore dovrebbe girare più velocemente per sviluppare la piena potenza, ma non può perché è trattenuto dall'alta potenza necessaria a girare l'elica a tale velocità. In un sistema diesel-elettrico, la velocità dell elica e del motore sono disaccoppiate. Il motore può essere aumentato a discrezione, per produrre tutta la potenza ogni volta che è necessario, a prescindere dalla velocità. Il risultato è un sistema che permette di caricare più pienamente il motore in tutte le condizioni operative e anche di usare più efficienti e più grandi eliche senza rischio di sovraccarico. Ottenere ulteriori miglioramenti utilizzando generatori multipli Molte persone che devono pianificare il loro sistema diesel-elettriche affronteranno la scelta di utilizzare o un numero inferiore di grandi dimensioni generatori o di un maggior numero di piccoli generatori. Dato che tutti i generatori sono collegati in una Bus unico, un numero qualsiasi di generatori possono essere utilizzati in qualsiasi combinazione per fornire la potenza necessaria ai motori di propulsione. Fattori quali la ridondanza, lo spazio disponibile, la distribuzione dei pesi e altri influenzano la decisione su come molti generatori devono essere usati. Un ulteriore aspetto da prendere in considerazione è il fatto che, dividendo il carico tra più generatori, si crea l opportunità anche per una 20

21 maggiore economia di carburante. Più generatori hai, maggiore è la potenziale risparmio di combustibile. Per vedere come questo avviene, si fa riferimento al grafico di un motore di 47kW e confrontandolo con un motore con capacità doppia. Per questo confronto si confrontano le prestazioni di due navi diesel-elettriche che operano a un carico di 40kW e 80kW. Una barca ha due motore / generatori da 47kW e l'altro ha un unico motore / generatore da 93kW. In questi due grafici, il punto "A" indica la massima velocità del motore e il consumo di carburante per ogni motore / generatore quando è applicato un carico di 40kW. A questo carico, entrambi i motori consumano 10 litri / ora di carburante. Sulla nave con due generatori, abbiamo la scelta di utilizzare entrambi i motori con 20kW di carico (punto "C") o, mettere il tutto su un solo e lasciando l altro al minimo o spento (il software di controllo gestisce in questo modo). In entrambi i casi,si avrebbe lo stesso il risparmio di carburante. Quando la potenza sale a 80kW, il carico è ripartito tra i due generatori più piccoli su una barca. Ognuno consuma 10 litri / ora per un consumo totale di carburante di 20 litri / ora. Sulla nave che utilizza un unico grande generatore, il carico di 80kW genera un tasso di consumo di carburante di 24 litri / ora. Avendo più generatore vi dà la possibilità di rompere il carico che porta ad assicurare che ciascun motore sia caricato nella posizione ottimale. In questo caso, i due generatore mantengono la stessa efficienza dell utilizzo del carburante a 20kW, 40kW e 80kW di carico. L'unico generatore di nave consuma il 20% in più di carburante a carico elevati. 21

22 Come progettare un ibrido diesel-elettrico in modo sbagliato Si tratta di un vero e proprio sistema,uno sforzo di un grande costruttore di imbarcazioni per creare il loro sistema di propulsione a basso costo ibrido elettrico. Dato che il sistema sarà attrezzato come standard (invece che l'opzione al diesel convenzionale) è un obiettivo primario del fabbricante fornire quello che porti al numero massimo di benefici al minimo costo. Il sistema utilizza componenti standard industriali di prestazioni convenzionali e una velocità costante 15kW marino Generatore CA (efficienza 87%). Potenza del generatore è inviato a un caricabatterie di 8,5 kw (efficienza di circa il 78%) e da lì a una grande banca 48v batteria. La potenza dalle batterie passa per un commerciale controllo motore(efficienza tipica del 93%) e da questo ad un motore brushless di 12 kw (efficienza tipica del 89%). Lo scopo di questo sistema che descrive in questo documento non è quello di discutere il merito o la mancanza di merito di tale configurazione, tranne per quanto riguarda l'efficienza dei carburanti. Mentre questo è un sistema diesel-elettrico (ibrido elettrico per essere precisi), non dovrebbe essere molto più suscettibili di fornire in termini di miglioramento l'efficienza dei carburanti. Per ogni cavallo prodotto dal motore, solo 0,56 cv sarà disponibile all elica. Combinata con la singola velocità del generatore e la limitata potenza disponibile attraverso il caricabatteria / alimentatore, è lecito ritenere che la barca sarà una delusione per tutti coloro che guardando il carburante troppo da vicino. Riassunto Si è mostrato come la propulsione diesel-elettriche prevede la possibilità di aumentare notevolmente il risparmio di carburante e di potenza ausiliaria per le imbarcazioni a vela. Ha mostrato come questi risparmi non sono inerenti alla tecnologia, ma deve essere parte del sistema globale di progettazione. Si è dimostrato che i componenti di un sistema ottimizzato diesel-elettriche includono: Progetti di motori, generatori e controller che hanno un alto picco di rendimento elettrico e che sostengono l'efficienza su una vasta gamma di velocità e carichi. Una guida diretta del motore di propulsione per non incorrere in costi supplementari di perdita di potenza del 3%-5% tipici delle trasmissioni e riduttori. 22

23 Un generatore a velocità variabile che consente la velocità e la potenza del motore a soddisfare strettamente il carico sul generatore. Un elica ottimizzata per il sistema diesel-elettrico e non per i motori convenzionali. La possibilità di ottimizzare ulteriormente le prestazioni suddividendo il carico tra più generatori. Gli esempi presentati e le condizioni analizzate hanno mostrato: Un 4,5% di risparmio di carburante raggiunto consentendo al motore di fluttuare con il carico, eliminando le inefficienze associate alle intermittenze ad alta velocità, a basso carico di lavoro. Nell esempio è stato considerato il motore diesel tradizionalmente usato nell imbarcazione in esame e non quello scelto per il sistema ibrido. Un 13% di combustibile risparmi ottenuti mediante l utilizzo di un elica più grande e più efficiente di quella che sarebbe possibile con una unità diesel convenzionale (è una stima plausibile, nel capitolo dello studio dell elica si hanno dati più attendibili). Un 5% di risparmio realizzato allineando più strettamente la potenza necessaria all elica e la potenza prodotta dal motore e, così facendo, spostando il carico del motore ad un punto più ottimale sulla sua curva di potenza su una vasta gamma di velocità e le condizioni. Un ulteriore risparmio del 20% raggiunto in alcune condizioni di carico, se più generatore sono installati (valido per potenze considerevoli, non nel caso in esame). I primi tre dati sono basati sulle curve di potenza del motore usato precedentemente sulla barca in esame, in cui dati sono stati forniti dai costruttori e non rilevati. Impressioni personali di ingegneri che hanno utilizzato tale motore fanno sorgere dei dubbi sulla loro validità delle curve fornite dal costruttore. Il risparmio di carburante dimostrato totale va dal 22,5% al 42,5%,superiore a quello delle perdite introdotta da un ragionevolmente efficiente sistema diesel-elettrico. Capire la base 23

24 sulla quale tali incrementi di efficienza di combustibile sono ottenuti rende evidente che l'efficienza guadagnata nei confronti di una imbarcazione con sistema convenzionale di propulsione varia in base alle condizioni ambientali e l'uso nave e potrebbe essere più o meno di ciò che è stato mostrato qui. Progetto sistema di propulsione In accordo con il costruttore e l architetto si sono analizzate le caratteristiche che un armatore ricerca in questa tipologia di barca e le restrizioni imposte dall ente di certificazione RINA. Partendo dalle prestazioni della barca si sono individuate le caratteristiche principali di funzionamento del sistema fissando la velocità massima in 8 nodi con una velocità di crociera di 7 nodi e una navigazione all interno dei parchi marini a 5,5 nodi con una autonomia di 2 ore in propulsione in puro elettrico. Lo studio Lostuzzi ha fornito il disegno dell imbarcazione e i dati relativi alla resistenza dello scafo in varie condizioni di funzionamento ottenuti da prove in vasca con modelli in scala. Si sono stati elaborati poi i dati considerando anche l azione del vento sulle appendici utilizzando più software e paragonando i risultati per ottenere dei valori il più possibile rappresentativi. Si può notare l aumento della resistenza più che proporzionale con l aumento di velocità e che la componente della resistenza d onda cresce notevolmente con velocità superiori a 7 nodi e diviene la componente principale già con 8 nodi. Il WinVpp non tiene conto però dalla variazione di resistenza in funzione della velocità del vento e perciò si è fatta una analisi anche con Hullspeed per valutarne l effetto oltre che per paragonare i risultati ottenibili con i due sistemi nelle stesse condizioni. Si nota un generale aumento di resistenza del sistema con Hullspeed. 24

25 1200 R wave 1000 R viscous R appendix R total WinVpp: Grafico con le varie componenti di resistenza 25

26 Resistenza kg WinVPP Hullspeed TWS= Velocità kn 1400, , ,00 800,00 Resistenza kg TWS = 0 kn TWS = 4 kn TWS = 8 kn TWS = 12 kn 600,00 400,00 200,00 0, Velocità kn Hullspeed: Grafico resistenza per differenti condizioni di vento Dall analisi dei risultati ottenuti si è scelto di utilizzare i dati relativi al software Hullspeed con velocità del vento di 4 nodi considerando che a questa velocità del vento si issano le vele e il motore ricoprirà un ruolo marginale nella propulsione o verrà spento, 26

27 inoltre si ha un fattore di sicurezza aggiuntivo sulla potenza necessaria ricordando la generale maggior resistenza considerata da questo programma. La potenza con un prima approssimazione viene determinata moltiplicando la resistenza per la velocità dello scafo. Questa rimane una considerazione di prima approssimazione perché si dovrà considerare anche l effetto della scia prodotta dallo scafo che incide sulla spinta dell elica e in generale il reale funzionamento dell elica e della trasmissione adottata perché generano perdite considerevoli. In prima approssimazione viene riportato il grafico della potenza che il motore dovrà fornire. Potenza motore con rendimento di trasmissione del 50% Una volta determinata la potenza si devono determinare le caratteristiche dell elica ottimale e scegliere un elica da catalogo che sposi al meglio i requisiti calcolati e 27

28 determinare le prestazioni ottenibili. Va valutata inoltre la resistenza che l elica da nella navigazione a vela per determinare la diminuzione di velocità che produce. Questo è particolarmente importante nel nostro caso perché utilizzeremo l elica per la rigenerazione. Per quanto riguarda la rigenerazione è necessario conoscere la curva dei rendimenti per valutare la potenza che fornisce al motore/generatore e cosi determinare l energia che si può recuperare.. Saranno da valutare i consumi e quindi l autonomia e la quantità di energia rigenerata per valutare i cicli di carica e scarica delle batterie. Prima di passare allo studio sistematico dei vari componenti è bene analizzare il quadro generale della tipologia di sistema propulsivo che è bene adottare 28

29 L elica Commercialmente sono state sviluppate molte tipologie di eliche: fisse, a pale orientabili, a pale abbattibili con forme molto varie e con utilizzo di una grande varietà di materiali. La ricerca non pare fermarsi anche se la filosofia di pensiero fin ora è stata sempre quella di dover incrementare il rendimento, diminuire la rumorosità e le vibrazioni e comunque funzionare accoppiate principalmente a motori endotermici. Inoltre per le barche a vela si è cercato molto di ridurre la resistenza aggiuntiva dell elica quando si naviga a motore spento che con già con velocità di 7 nodi diventa apprezzabile con alcune tipologie di eliche e molto considerevole per eliche con pale fisse e tenute bloccate con un freno durante la navigazione. In seguito all avvento dei propulsori elettrici e ibridi anche in campo marino la filosofia non sembra cambiare e non si notano grandi ricerche in campo o promesse di sviluppo di nuove tipologie di profili in grado di sfruttare al meglio la perdita di potenza che si ha sull elica e tramutarla in potenza utile per ricaricare le batterie e garantire una maggiore autonomia all imbarcazione come avviene nel settore automobilistico con la frenata rigenerativa. Lo sforzo massimo riscontrato è la disponibilità di un costruttore di eliche a fornire gratuitamente un esemplare per eventuali sperimentazioni e poter valutare la rigenerazione ottenibile. In seguito ad una attenta analisi delle caratteristiche che l elica deve avere e analizzando le varie tipologie commerciali già studiate e soprattutto in seguito alle risposte pervenute dai vari costruttori si è scelto di riprogettare l elica cercando di aumentarne il rendimento di propulsione e di ottimizzarne anche il funzionamento in rigenerazione. La tipologia che sembra più adatta per l applicazione è l elica a pale orientabili. Questa tipologia consente di conseguire tre distinti risultati: L adeguamento delle caratteristiche dell elica (cioè del passo) alle condizioni di navigazione; L inversione di marcia senza inversione del senso di rotazione dell elica, e quindi l eliminazione dell invertitore di marcia; La marcia a vela con le pale parallele al flusso d acqua( in bandiera ) e quindi con minima resistenza;riduzione della resistenza di un fattore dieci rispetto ad un elica a pale fisse. 29

30 La manovra delle pale può essere comandata o spontanea, per azione dell acqua e della coppia motrice del motore; nel primo caso si ottiene l inversione di marcia senza invertitore, nel secondo si ha solo la variazione dell orientamento della pala passando alla navigazione a vela, e l invertitore è necessario per la retromarcia. Particolarmente interessante risulta utilizzare il comando dell acceleratore del motore collegato alla barra di controllo del passo, di modo che un unica leva è sufficiente per regolare velocità e verso di rotazione. Nel progetto proposto si dovrà prevedere un ulteriore controllo che regoli il passo nella fase rigenerativa durante la navigazione a vela in modo da massimizzare l energia recuperata e mantenere il più possibile costante la velocità di rotazione del motore-generatore. La forma dell elica influisce molto sulla prestazione e risulta chiaro che eliche a pale piatte e sezione lenticolare minimizzano la resistenza nella navigazione a vela però hanno caratteristiche propulsive lievemente ridotte dal fatto che, essendo le pale piatte, il passo varia in direzione radiale. Il numero delle pale è un fattore da considerare con attenzione in quanto, passando da un elica a due pale ad una a tre pale, si ha un vantaggio sulla regolarità della spinta di propulsione. Le caratteristiche geometriche principali dell elica sono il passo e il diametro pero devono essere considerate anche il numero di pale, la loro forma, sezione e superficie anche se hanno meno importanza. Per una pala si definiscono sia la superficie proiettata (nel piano del disco), sia le superfici sviluppate (nel piano del disco e nello spazio), che sono sempre maggiori di quella proiettata; la superficie sviluppata nello spazio può in certi casi superare l area stessa del disco. Si definisce rapporto di area il rapporto tra l area delle pale e quella del disco: questo può variare tra il 20% e l 80%; nelle imbarcazioni a vela si impiegano normalmente eliche a 2 o 3 pale con i rapporti tra 0,3 e 0,7. Il rapporto di area deve essere elevato quando si hanno grandi forse idrodinamiche sulle pale, che risultano quindi pesantemente sollecitate; questo di solito accade per imbarcazioni a motore veloci. Come contropartita si ha una elevata superficie bagnata, che riduce il rendimento. Un elica a basso rapporto di area è invece favorita in quanto le pale hanno alto allungamento e bassa superficie bagnata, fattori favorevoli sotto il profilo idrodinamico. Della pala poi interessano la forma della sezione (se piano-convessa o alare), l inclinazione e gli spessori: infatti sulle pale si localizzano forze considerevoli, largamente superiori alla spinta propulsiva. Per quanto riguarda il progetto in questione è bene fare qualche considerazione. L obiettivo della riprogettazione è quello di migliorare il rendimento propulsivo dell elica 30

31 rispetto a quelle commerciali; inoltre viene considerato sostanziale il recupero dell energia in fase rigenerativa e quindi la geometria deve ottimizzare tale recupero senza pregiudicare la propulsione e quindi prevedere un profilo idoneo; la resistenza dell elica durante la navigazione a vela dovrà essere contenuta solo nelle condizioni in cui non si effettua la rigenerazione e perciò riveste un ruolo marginale visto che questa fase di esercizio è molto ridotta. La soluzione dell elica a pale orientabili permette di ottenere queste condizioni riprogettando opportunamente il sistema di orientamento delle pale. Per avere un funzionamento ottimo in tutte le condizioni deve essere permessa una rotazione di quasi 180 in modo da ottenere entrambi i sensi di marcia e la posizione di rigenerazione mantenendo lo stesso verso di rotazione del motore; il sistema di controllo del passo dovrà provvedere a una regolazione dello stesso a seconda della velocità della barca per mezzo di un attuatore elettrico con un controllo continuo durante il funzionamento e non essere autoregolato dalla coppia motrice o dall azione dell acqua come avviene attualmente nella yachttistica. 31

32 Scelta dell elica Il progetto dell elica può essere fatto o attraverso un procedimento di calcolo che utilizza le teorie dell elica o utilizzando le serie sistematiche. Il primo approccio è da preferirsi, ma richiede conoscenze più approfondite. In ogni caso richiede pure una preliminare indagine con serie sistematiche. Con il calcolo diretto si riescono a ricavare dati e grandezze che portano alla scelta del miglior profilo di pala, alla scelta di una distribuzione radiale ottimale del passo (o del rapporto passo diametro), alla definizione della miglior distribuzione degli spessori, alla definizione del rapporto di area ottimale, etc.. Con le eliche di serie sistematica, molte di queste grandezze non sono disponibili, perché vanno scelte quelle tipiche della serie. Tuttavia anche da questa indagine scaturiscono dati ed elementi utilizzabili in un successivo processo di calcolo diretto. È comunque di fondamentale importanza effettuare uno studio approfondito di tale componente creando modelli geometrici tridimensionali e simularne il comportamento utilizzando programmi dedicati a tali problematiche.tra i principali dati che si possono scegliere in un indagine fatta con le eliche di serie abbiamo: Il numero delle pale. E legato essenzialmente alla necessità di contenere, entro limiti accettabili, le vibrazioni indotte dall elica sullo scafo o sull intero sistema propulsivo e di evitare fenomeni di risonanza alle più caratteristiche velocità della nave. Diametro e numero di giri. La scelta di un buon accoppiamento del diametro e del numero di giri riveste un carattere di fondamentale importanza nei riguardi delle caratteristiche di rendimento e di cavitazione dell elica. In generale la scelta del miglior accoppiamento viene eseguita mediante i diagrammi determinando: il numero di giri ottimale corrispondente al massimo diametro possibile, in relazione alle forme poppiere della nave, il diametro ottimale corrispondente al numero di giri minimo possibile, in relazione al dislocamento. Diametro del mozzo. Per eliche orientabili dipende essenzialmente dall ingombro del sistema usato per il comando. Il valore del rapporto d/d medio è di 0,22-0,25 che evidentemente conviene sempre ridurre. Rapporto tra area espansa e area disco. Il valore di tale rapporto è legato alla necessità di contenere entro certi limiti accettabili lo sviluppo della cavitazione. Per la sua scelta si usa il criterio di Keller o di Burril. 32