ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA. Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica Tesi di Laurea in Laboratorio di CAD Candidato: Emanuele Savini Relatore: Chiar.mo Prof. Luca Piancastelli Anno accademico 2009/2010 II sessione

2 OBIETTIVO DELLA TESI Proporre una possibile configurazione per un aerogeneratore ad asse verticale, cercando di rispettare le seguenti specifiche: Possibilità di installazione in spazi verdi di zone montuose o collinari, prevedendo un facile trasporto senza l utilizzo di mezzi pesanti Massima dimensione lineare componenti: 2 m Assemblaggio agevole, privilegiando collegamenti per mezzo di organi filettati e cercando di evitare saldature o giunzioni complicate che richiedano l utilizzo di utensili particolari o personale specializzato Assenza di fondamenta di notevoli dimensioni (plinto di cemento armato), che richiedano scavi o lavori preliminari significativi

3 CONTESTUALIZZAZIONE Dalla mappa del vento 2010 e dal grafico sovrastante - fonte ANEV - emerge chiaramente come ad oggi gli impianti eolici siano concentrati quasi esclusivamente sui rilievi appenninici e su alcune zone costiere, e come in molte regioni l energia del vento sia in pratica inutilizzata Necessità di diversificare ed ampliare le modalità di sfruttamento della risorsa eolica

4 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO PANEMONE ARTICOLATO SOLUZIONI PRECEDENTI MASSA ECCESSIVA, TRASMISSIONE MOTO DIFFICOLTOSA, NECESSITA DI ATTUTIRE DISLIVELLI VERTICALI ROTAIA

5 VELA QUADRA GEOMETRIA VELA Sostituzione dei pannelli in alluminio con un sistema a vela Riduzione massa, montaggio semplificato, tempi di assemblaggio ridotti VELA LATINA VELA AURICA VELA BERMUDIANA

6 POTENZA E RESISTENZA DI PROGETTO Determinazione dell area di intercettazione, imponendo una potenza nominale di 10 kw: Teoria di Betz Resistenza agente sulla vela: Si considera una velocità di progetto del vento di 12 m/s. Nel calcolo della forza D si utilizza il valore di 20 m/s, grado 9/12 sulla scala di Beaufort

7 PRIMA VERSIONE (INCOMPLETA) Struttura completamente in acciaio da costruzione (Fe510) Quattro pale, poggianti su carrelli sostenuti da due ruote Generazione di energia elettrica tramite utilizzo di quattro generatori, posizionati ciascuno sotto un carrello Albero solidale al carrello, boma rotante intorno all albero Blocco alla rotazione grazie ad un fermo opposto al boma, assicurato ad una fune Boma e fermo fissati tramite viti mordenti ad una scatola concentrica all albero, rotante intorno ad esso Vela 5x8 m

8 DIMENSIONAMENTO BOMA E FERMO (prima versione scartata per motivi di costo) Considerato il caso più gravoso, in condizioni di blocco, nella sezione più sollecitata Boma: costituito da 4 tubi pieni di lunghezza 1372 mm, uniti tramite collegamenti filettati Fermo: costituito da un unico tubo pieno di lunghezza 1815 mm

9 ALBERO (prima versione scartata per motivi di costo) Trave con un estremità incastrata e l altra libera. Formato da cinque tratti di lunghezza 1875 mm, uniti tramite collegamenti filettati Dimensionamento a flessione, verifica a carico di punta Giunzione tramite bulloni: UNI 10011

10 Poggiante su due ruote. Dimensioni 200x340x880 mm. CARRELLO (prima versione scartata per motivi di costo) Asse ruote inclinato di 4 circa rispetto alle facce laterali del carrello anziché parallelo, per garantire perfetta aderenza delle stesse alla rotaia. Una ruota per ciascun carrello trascina in rotazione un generatore, con l ausilio di cuscinetti SKF specifici per trasporti su rotaia. Peso gravante sul carrello: N circa

11 COMMENTI PRIMA VERSIONE Evidenti problemi di stabilità Da rinforzare elemento di collegamento centrale Peso eccessivo Costo troppo elevato e aumento perdite Eccessiva complessità NON REALIZZABILE

12 SECONDA VERSIONE (FINALE) Medesimo principio di funzionamento albero fisso, boma rotante Albero e boma in alluminio, utilizzando componenti commerciali Parziale rinuncia al limite sulla massima dimensione dei componenti Utilizzo di sartie e stralli per garantire la stabilità dell albero Alleggerimento del carrello e del collegamento tra i carrelli Elemento centrale rinforzato Rotaia analoga alla versione precedente Vela 4x10 m

13 ALBERO E BOMA Utilizzo di componenti commerciali da catalogo SPARCRAFT Resistenza e stabilità garantite Diminuzione tempi di consegna e assemblaggio Drastica diminuzione del peso gravante sul carrello Calo costi Lunghezza albero = 11 m Lunghezza boma = 4m

14 ACCESSORI ALBERO

15 BOMA

16 BASE E TRAVI PER ATTACCO FUNI Base in acciaio da costruzione Fe510 Travi in acciaio da costruzione Fe42 Viti mordenti M20

17 ROTAIA E CARRELLO Profilo a doppia T Diametro = m 16 componenti Fissata a normali traversine ferroviarie Dimensioni = 200x340x880 mm Asse ruote rivolto verso il centro della rotaia Materiale = lega di alluminio 1080 da catalogo AIROLDI METALLI Peso sul carrello = 6700 N circa

18 CUSCINETTI E GENERATORI ELETTRICI Sopporti SYK20TF, da catalogo SKF Generatore YASKAWA, codice SGMCS-02B Potenza massima = 3 kw

19 COLLEGAMENTO CARRELLI Si è mantenuta la medesima geometria modellata per la soluzione precedente, ipotizzandola questa volta in lega di alluminio anziché acciaio da costruzione. In questo modo, il peso proprio del collegamento tra i carrelli cala notevolmente. Viene aggiunto un elemento di rinforzo, per diminuire la flessibilità dell elemento centrale

20 SECONDA VERSIONE (CONCLUSIONE)

21 COSTI E N VIAGGI Diminuzione costi stimati molto maggiore della diminuzione di potenza rispetto alle soluzioni precedenti da 20 kw Elementi Costo stimato [ ] Parti in acciaio Fe Parti in acciaio Fe Alberi, boma e crocette 8000 Parti in lega di alluminio 6760 Vele in dacron 2400 Generatori 800 Cuscinetti 50 Altre parti 2000 Totale Recupero costi di investimento stimato in meno di 5 anni Costo prima soluzione: Numero viaggi per il trasporto dell aerogeneratore rotaia esclusa limitato 350 kg/viaggio

22 CONCLUSIONI Soluzione adeguata per un aerogeneratore ad asse verticale che garantisca una produzione di 10 kw in condizioni di ventosità media di 12 m/s Assenza di fondamenta ingombranti e di impegnativi lavori preliminari Possibilità di installazione in zone verdi collinari o montuose, attualmente inutilizzate e senza ricorrere all utilizzo di mezzi pesanti per il trasporto Utile integrazione nello sfruttamento della risorsa eolica Costi contenuti, grazie soprattutto all utilizzo di componenti commerciali Montaggio autonomo SVILUPPI FUTURI: Alleggerimento struttura ove possibile, in particolare nel collegamento tra i carrelli e nella possibilità di utilizzare albero e boma in carbonio Determinazione sollecitazioni di sartie e stralli, e conseguente accurata analisi strutturale Costruzione di un prototipo su cui condurre analisi sperimentali

23 VELOCITA DI SPUNTO Si è calcolata la velocità minima del vento necessaria all avviamento dell aerogeneratore. Per determinarla, si è trovato il peso totale della struttura, interamente gravante sulla rotaia, e lo si è moltiplicato per il coefficiente d attrito ruota-rotaia, ottenendo la forza globale resistente al moto. Eguagliando tale forza alla resistenza agente sulla vela, e ponendo come incognita la velocità del vento, si determina dunque la velocità di spunto dell aerogeneratore v = 4.69 m/s v 5 m/s