STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UN GENERATORE EOLICO AD ASSE VERTICALE

Transcript

1 Università degli Studi di Bologna FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Laboratorio CAD L STUDIO E OTTIMIZZAZIONE DI UN GENERATORE EOLICO AD ASSE VERTICALE Tesi di Laurea di: JACOPO BUCCHI Relatore: Chiar.mo Prof. LUCA PIANCASTELLI Correlatore: Dott. Ing. CRISTINA RENZI

2 OBBIETTIVI DEL PROGETTO Produzione di una potenza elettrica di 20 kw in condizioni di ventosità media di 12 m/s; Possibilità di installazione in spazi verdi di zone montuose o collinari, prevedendo quindi un facile trasporto senza l utilizzo di mezzi pesanti; Facilità di montaggio escludendo l utilizzo di strumentazioni difficilmente reperibili e/o utilizzabili da personale tecnico specializzato (MONTAGGIO IN MODO AUTONOMO);

3 SOLUZIONE ADOTTATA Panemone costituito da pale mobili tramite l azione del vento; Nuovo idea nel campo degli aerogeneratori ad asse verticale (Soluzione Buonaugura); Eliminazione del momento negativo creato da una delle due pale; Ingombro radiale contenuto;

4 CALCOLO SUPERFICIE TURBINA Dati tecnici autilizzati: Velocità del vento Potenza elettrica Densità dell aria Rendimento turbina Coefficiente di potenza P 0 C P 1 2 v w P ρ 1.225kg/m η C A c U P 12m/s mecc v 20kW w Superficie singola pala P PU 25kW 0 mecc Superficie frontale di ingombro A c = 80 m 2 A = 40 m 2

5 COMPONENTI SVILUPPATI Pale della turbina; Albero di trasmissione; Scelta cuscinetti; Telaio portante; Scelta moltiplicatore; Scelta generatore

6 PALE DELLA TURBINA VINCOLI FISICI: Impossibilità di eseguire più di quattro pale, in quanto la rotazione all indietro del pannello non sarebbe più garantita; Vista la elevata superficie per pala, necessita un frazionamento della superficie in più pannelli (RISPETTO DELLE SPECIFICHE); SCELTA ADOTTATA 20 pannelli da 1 m x 2 m A = 2 m 2 x 20 pannelli =40 m 2 m = 15 kg I = 20 kg m 2 Materiali Utilizzati: Lastre di alluminio; Rete ondulata in materiale plastico a bassa densità; Sede perno in alluminio;

7 PALE DELLA TURBINA TELAIO DELLA PALA: Costituito da barre di acciaio C 40 filettate alle estremità e mantenute da nodi anch essi filettati; Barre rese solidali con il telaio provvedono al blocco del pannello in posizione verticale e orizzontale del pannello; ;

8 SINGOLA PALA COMPLETA Inserimento di tre morsetti sul telaio unite da imbullonamento, per collegamento di forma con la staffa si sostegno; La pala risulta avere delle dimensioni pari a circa L x H = 5 m x 8 m ;

9 ALBERO DI TRASMISSIONE La prima problematica che si è affrontata è stata quella di come sostenere l albero. In quanto le idee erano due: a) Collegare l albero al telaio e sostenerlo dal basso; b) Sostenere l albero dall alto tramite una struttura esterna alle pale e ricollegata al telaio; Sezione scelta Materiale C40 Bonificato s 370MPa Scelta l opzione b) per diversi motivi, l albero fino al riduttore è soggetto al solo Momento Torcente. Coeff. di intaglio per le sedi degli anelli elastici P M t Nmm 3,43 D M t M t 76, 18MPa J ,82 P M 3 131, 96MPa k t M t 2 s M t ,96 2,80 VERIFICATO A FATICA

10 SCELTA CUSCINETTI SCHEMATIZZAZIONE MONTAGGIO DEI CUSCINETTI CUSCINETTO ASSIALE : SKF ad una corona di sfere (Sigla 51120) CUSCINETTI RADIALI : SKF ad una corono di sfere (Sigla 61920) Liberta assiale degli anelli esterni dei cuscinetti in quanto la liberta assiale è già bloccata dal cuscinetto reggispinta. Bloccaggio degli anelli interni dei cuscinetti radiali tramite anelli elastici; Anello superiore del cuscinetto assiale forzato sull albero e assicurato da una ghiera;

11 TELAIO PORTANTE Risulta necessario costruire un telaio di facile montaggio e trasporto a cui poter collegare solidamente tutta la struttura prevedendone poi anche un ancoraggio a terra. Struttura con Tubi Innocenti con diametro esterno di 80 mm e interno di 60 mm; Utilizzo di morsetti per poter collegare nella configurazione voluta; Utilizzo di trave a sezione quadrata cava per la parte alta del telaio, e delle controcentature per migliorarne la stabilità.

12 SCELTA MOLTIPLICATORE A monte del motore elettrico, che fungerà da generatore di energia elettrica, occorre inserire un moltiplicatore per poter incrementare la velocità angolare e riuscire a produrre la potenza voluta; P Mr Nmm 3,43 Fissata la scelta del motore in uno asincrono trifase con due coppie di poli possiamo, conoscendo la velocità di sincronismo (Ω s = 1500 giri/min), calcolarci il rapporto di moltiplicazione : i m ,7 45,87 Mc M r fs , Nmm 2 2 La scelta è ricaduta, visto il rapporto necessario, in un riduttore epicicloidale della azienda Bonfiglioli, scegliendone uno che possa resistere hai momenti presenti e con un rapporto di moltiplicazione maggiore di quello necessario nel caso di accoppiamento classico motore- riduttore. Questo perché nel nostro caso il motore deve produrre energia e per far ciò la sua velocità deve essere superiore a quella di sincronismo, cosa che si riesce a garantire con un rapporto di moltiplicazione di 46,5 che corrisponde a quello del moltiplicatore scelto. Con questo riduttore riusciamo a garantire una velocità sull albero veloce, superiore ai 1500 giri/min già dopo aver superato i 32,25 giri/min con l albero lento. In questo modo riusciamo a garantire la produzione di energia a partire da una ventosità intorno ai 12 m/s, che è quello che le specifiche di progetto ci richiedevano

13 SCELTA MOLTIPLICATORE

14 SCELTA GENERATORE Sempre da catalogo Bonfiglioli abbiamo scelto il modello di motore BN 180 L in quanto può arrivare ad una potenza di 22 kw indispensabile per garantire le specifiche di progetto; L accoppiamento finale motore-riduttore, o meglio nel nostro caso generatoremoltiplicatore. è stata rappresentata tramite CAD solo a scopo di visualizzarne gli ingombri ed eseguire un fissaggio al telaio.

15 AEROGENERATORE COMPLETO

16 CONCLUSIONI CONCLUSIONI E SVILUPPI L aerogeneratore rispetta le specifiche di progetto richieste in termini di potenza erogata, montaggio e trasporto; Tutti i componenti sono di facile produzione, incentivandone una produzione su alta scala; Anche l aspetto economico risulta soddisfacente, visto i materiali e le tecnologie utilizzate; SVILUPPI Possibilità di modificare il telaio portante per migliorarne le caratteristiche meccaniche, magari dopo una verifica delle frequenze proprie della struttura, la quale ci potrà dare delle indicazioni sullo sviluppo del telaio; Creazione di un prototipo per verificarne la stabilità ed eventuali problemi di installazione, ma soprattutto per verificare la reale produzione di energia elettrica;