STUDIO DI FATTIBILITA DI UN GENERATORE EOLICO AUTOSOSTENTATO

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1 Università degli Studi di Bologna FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA ELABORATO FINALE DI LAUREA STUDIO DI FATTIBILITA DI UN GENERATORE EOLICO AUTOSOSTENTATO Candidato: Vincenzo Guerrini Relatore: Prof. Ing. L. Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. G. Caligiana Prof. Ing. A. Liverani ANNO ACCADEMICO 2008/2009 SESSIONE III

2 L IDEA SFRUTTARE IL VENTO COSTANTE AD ALTA QUOTA PER PRODURRE ENERGIA ELETTRICA quota 4000 m Velocità vento 100km/h = 27,8m/s Utilizzando l elicottero commerciale AGUSTA-BELL 212 AM Basso costo a fine vita Conoscenza di tutti i dati sperimentali

3 MODALITA DI FUNZIONAMENTO L elicottero sarà collegato ad un cavo avente la funzione di: Trasferire potenza elettrica tra aerogeneratore e rete Trattenere il velivolo DISTINGUIAMO DUE FASI DI FUNZIONAMENTO Motori elettrici alimentati PRIMA FASE: MODALITA ELICOTTERO dalla rete a terra Decollo e salita dell elicottero con svolgimento del cavo ( v = 1 m/s) Arrivo in quota 4000 m

4 MODALITA DI FUNZIONAMENTO SECONDA FASE: MODALITA GENERATORE Interruzione dell alimentazione dei motori Conversione del motore in modalità generatore Autosostentazione dell elicottero + produzione di energia elettrica

5 OBIETTIVO Verificare la fattibilità di questo aerogeneratore basato sull elicottero AB 212 AM apportando le seguenti modifiche: Alleggerimento dell elicottero Sostituzione delle due turbine con due motori elettrici di pari potenza Modifica della trasmissione in seguito alla variazione dei regimi dei giri che comportano i motori elettrici Installazione di due trasformatori : uno sull elicottero ed uno a terra Dimensionamento e installazione del cavo STIMA DELL ENERGIA ESTRAIBILE TEORIA DEL MOMENTO (disco attuatore) DIAGRAMMI SPERIMENTALI (dal manuale operativo)

6 ALLEGGERIMENTO ELICOTTERO massa a vuoto dell elicottero: M el =3000 kg COMPONENTI ELIMINABILI massa [kg] Equipaggiamento 859 Lastra pavimento 24 Serbatoio principale 43 Impianto principale e di regolazione combustibile Impianti combustibile secondari Tutti gli altri impianti 54 TOTALE 1063 massa dell elicottero alleggerito: M el = =1937 kg 2000 kg

7 SCELTA DEI MOTORI Due turbomotori: Pratt & Whitney PT6T-6 Due BRUSHLESS: motori elettrici a commutazione elettronica della corrente I principali vantaggi sono: Eliminazione delle spazzole notoriamente soggette a usura e minor manutenzione Da motori a generatori in pochi millisecondi Ottimo rapporto potenza-peso e potenza-dimensioni Ottime prestazioni dinamiche e di trasmissione di coppia Migliore raffreddamento degli avvolgimenti Lavoro in ambienti ostili Potenza all albero dei turbomotori: 1675 HP 1250 kw Per mantenere le caratteristiche dell elicottero abbiamo scelto Due brushless FAURNDAU: η mot =0.95 P mot =1250/0.95=1315 kw 2xP mot,1 =2x660=1320 kw Da catalogo n = 2500 rpm M mot =975 kg

8 DIMENSIONAMENTO DEL CAVO LN = 4000 m; con possibilità di aumentare la quota di lavoro ΔL = 150 m x = L tg(15 ) = 4150 tg(15 ) = 1112 m La lunghezza reale non è rettilinea: Catenaria: y = a cosh(x/a) - a Lc,cat = 4479 = 4479 m m Cubica: Necessità di avere un cavo di y andata = k e x ritorno ³ tra generatore e utenza Lc = 4153 m LTOT = LC 2 = = 8958 m

9 DIMENSIONAMENTO DEL CAVO Parte conduttrice in alluminio Tensione 1000 V (tensione di alimentazione dei motori elettrici) peso cavo eccessivo Tensione V necessario un trasformatore sull elicottero ed uno a terra Pelettrica = V I I = Pe/V = /10000 =132 A gmax = 3 A/mm² ; S = I /g = 132/3 = 44 mm² ; D= 7.48 mm Diametro commerciale : D=7.5mm MAl = VAl ρal = = 1067kg

10 DIMENSIONAMENTO DEL CAVO Configurazione e struttura del cavo Due Due cavi cavi distanziati diametralmente da ponticelli opposti, in carbonio: ponticelli solo iniziali elevato peso costo ridotto, e peso potenza aggiuntivo massimizzata scongiura scongiuro cortocircuito, se ben Spectra dimensionati 900 isolante Cavo singolo a strati: elevato peso isolante quindi diminuzione potenza completa scongiura aggrovigliamento cavi

11 TRASFORMATORE E TRASMISSIONE Scelta del trasformatore sull elicottero: V 1000 V Potenza trasformata: 1320 kw M 3600 kg (50 Hz) M 900 kg (400 Hz) M = 466 kg (1000Hz) Scelta della trasmissione fra i Brushless e le eliche: Velocità di rotazione rotore Velocità di rotazione motori cedente movente 355 rpm 2500 rpm Mtot = Mmot+Mtrasf+Mridutt+Mstruttura = 2000 kg Mridutt = 2 97 =194 kg

12 DIMENSIONAMENTO DEL CAVO Calcolo guaina resistente: Spectra 900 UHMWPE Scopo : resistere alla trazione assicurare il collegamento a terra FORZE AGENTI: Ipotesi per il calcolo della forza di trazione: Cavo come corda tesa (caso critico) Ancoraggio a terra come cerniera Aerogeneratore come carrello 1) Forza peso Distribuzione uniforme 3) Strattone dovuto all arresto del velivolo 2) Forza esercitata Distribuzione dal vento cubica sul profilo cilindrico

13 DIMENSIONAMENTO DEL CAVO Calcolo guaina resistente: Spectra 900 UHMWPE Un singolo cavo deve resistere all intera sollecitazione: 2 2 V 0.5 C R R 4000 V 4000vento V A vento fa f NN F M tot tot g kg N 11968, 1, 1 N 2 22 T H VA K A A 53648N N T K T strat N T strat 9563N N A 920 mm N 2 amm 1300 mm N 2 est, min mm amm est 11 mm MTOT, 1cavo M Al M guaina 754kg massa che l elicottero deve sostenere in hovering In assenza di vento: In presenza di vento: M M sv MTOT, cavo Mel 3446kg 4000, VB 2 v M el 10183kg g 4000,

14 AEROPLANI DI SOSTENTAMENTO Gli aeroplanini saranno molteplici e messi a distanze regolari lungo tutto il cavo massa che l elicottero deve sostenere in hovering In assenza di vento: In presenza di vento: M M 4000, sv MTOT, cavo Mel M aer 4000kg M max,v Mel 2000kg 4000

15 POTENZE ASSORBITE DAL MOTORE Approccio teorico: applicazione della teoria del momento di Froude Approccio sperimentale: impiego del manuale tecnico dell AB 212 AM Potenze teoriche all albero dell elica: P dec kw P hov,v 199 kw P hov,sv 594 kw P ascesa, kw P ascesa, kw P hov,sv 783 kw + 30% Le potenz sono stat casa cost perdite do motore su Potenze effettive all albero dell elica: Potenze assorbite dal motore: P dec 212 kw P hov,v 258 kw P hov,sv 783 kw P ascesa,0 228 kw P ascesa, kw η t =0.78; η aux =0.95; η mot =0.95 P dec 303 kw P hov,v 432 kw P hov,sv 1182 kw P ascesa,0 335 kw P ascesa, kw

16 POTENZA MASSIMA OTTENIBILE P = potenza che l elicottero impiegherebbe per mantenere una velocità di 100 km/h alla quota prestabilita Phov,v = potenza per l hovering a 4000m in presenza di vento Putile, all' albero P Phov, v kW Perogata Putile, all' albero tot kW utilizzo dei grafici sperimentali che tengono conto dell effetto positivo che ha il vento frontale sulla richiesta di potenza trasf 0.95 l mm R ; all ; R 5.57 ; I 55.4A; s m mm P joule kW; P kw utile, terra 510

17 POTENZA MASSIMA OTTENIBILE Modifica della pala: diminuzione del disk-loading con pala in carbonio lb ft DL lb ft DL WP2 8 lb HP D m P erogata 758kW + 30%

18 CONCLUSIONI Dal lavoro svolto risulta un progetto realizzabile utilizzando componenti prevalentemente commerciali anche Il progetto è conveniente dal punto di vista economico dato che i venti sono pressoché costanti e la potenza installata paragonabile a quella di un aerogeneratore di media grandezza Possibilità di estendere questo generatore ad un parco eolico Tuttavia poiché il lavoro speso per l hovering rappresenta una quota importante dell energia utile risulta più conveniente utilizzare una aeroplano piuttosto che un elicottero