STUDIO DI MASSIMA DI UN MICRO-GENERATORE EOLICO AD ASSE VERTICALE

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA SECONDA FACOLTA DI INGEGNERIA CON SEDE A CESENA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Classe 10 Sede di Forlì ELABORATO FINALE DI LAUREA in DISEGNO ASSISTITO DAL CALCOLATORE STUDIO DI MASSIMA DI UN MICRO-GENERATORE EOLICO AD ASSE VERTICALE Candidato: BUONAGURA DAVIDE Relatore: Chiar.mo LUCA PIANCASTELLI Anno Accademico Sessione II

2 ENERGIA EOLICA POTENZA TEORICA MESSA A DISPOSIZIONE DAL VENTO Rugosità del suolo. 1 3 P A v W v v ( z / z ) n ( z) ( z ) 0 0 Dove: V = velocità del vento A = area interessata dalla vena fluida ρ = densità dell aria Dove: n = coefficiente di rugosità del suolo 0<n<1

3 LIMITE DI BETZ 1) PRINCIPIO ALLA BASE DELLA TEORIA Non si può avere una massa d aria perfettamente immobile in uscita dal rotore, perché essa impedirebbe l ingresso della successiva corrente, impedendo alle pale di ricevere ulteriore energia. Albert Betz La potenza che in realtà si può catturare dalla massa di aria in moto risulta ridotta del 60%. Questo valore è frutto dalla trattazione teorica chiamata Legge di Betz, che prescinde dalla forma del generatore eolico. 16 CP % 7 Nel momento in cui si considerano tutti gli effetti realmente presenti in una turbina eolica, si rileva che il CP, oltre a risultare inferiore al citato limite di Betz, non risulta costante ma varia con la velocità del vento. 3

4 TURBINE EOLICHE AEROGENERATORI AD ASSE VERTICALE Sono macchine molto versatili, adatte all uso domestico, come alla produzione centralizzata di energia elettrica nell ordine del GW, anche se, la minore efficienza, rispetto alle macchine ad asse orizzontale, ne ha frenato la diffusione. Sono contraddistinte da una struttura con un numero ridotto di parti mobili, il che le conferisce un'elevata resistenza alle forti raffiche di vento e la possibilità di sfruttarne qualsiasi direzione senza la continua necessità di correzione dell orientamento nei confronti della vena fluida. Lavorano principalmente sfruttando la resistenza aerodinamica. 4

5 OBIETTIVI PROGETTO L obiettivo iniziale, è quello di studiare una soluzione di aerogeneratore ad asse verticale, che possa produrre una potenza di 00W in condizioni di ventosità medie di 10m/s. Questa è la potenza necessaria ad alimentare in un abitazione elementi a basso consumo energetico, ma che sono utili per il benessere delle persone stesse, come ad esempio una caldaia oppure un frigorifero. L aerogeneratore dovrà provvedere, oltre che alla produzione di energia elettrica, anche all aspirazione dei fumi caldi provenienti dal camino dell abitazione. Per questo, lo studio inizierà esaminando le potenzialità di un tirafumo tradizionale, successivamente si analizzeranno altre soluzioni di aerogeneratori ed infine si valuterà la soluzione che risponde meglio a questi parametri: INGOMBRO COSTI EFFICIENZA 5

6 ) MISURA DELLE PERDITE TIRAFUMO 1) DESCRIZIONE OGGETTO Il tirafumo è un terminale per sistemi d areazione, è indicato in zone poco o mediamente ventilate, per effetto della rotazione eolica, depressurizza il condotto creando un azione di tiraggio forzato. Ho utilizzato un approccio sperimentale: ho registrato un video del tirafumo azionato da una forza impulsiva e ho valutato le perdite di energia cinetica ad ogni rotazione. 1 1 Jw1 Jw R mecc 85% 6

7 TIRAFUMO 3) CALCOLO DELLE DIMENSIONI PER OTTENERE P=00W CON V=10m/s. Il tirafumo in questione sfrutta il principio di funzionamento cosiddetto a portanza. Considero come rendimento della conversione aerodinamica il valore di C P : C P 0.5 BARTOLAZZI ANDREA " Leenergie rinnovabili" Per ottenere la potenza richiesta nelle condizioni di progetto e considerando il rendimento meccanico visto in precedenza, occorre un diametro utile pari a: 1 P CP A v D 00 mm 3 v A 1.54 m 7

8 SAVONIUS 1) DESCRIZIONE OGGETTO La turbina Savonius è ad azione differenziale, cioè è caratterizzata dall utilizzo della resistenza aerodinamica come forza propulsiva. E chiamato in altro modo Rotore ad S. L asse di rotazione è verticale. La forza motrice è garantita dalla spinta maggiore generata dalla superficie concava rispetto alla superficie convessa, a causa dei diversi coefficienti di resistenza delle due pareti. Oltre alla forza resistente, durante la rotazione si creano delle forze di portanza L, concordi con il moto della turbina, un ipotesi corretta è che queste forze annullino il contributo negativo della forza D prodotta dalla superficie convessa. C D =0.35 C D =1.35 8

9 SAVONIUS 3) CALCOLO DELLE DIMENSIONI PER OTTENERE P=00W CON V=10m/s. Utilizzando le ipotesi viste in precedenza sul coefficiente di resistenza e considerando un rendimento meccanico simile a quello del tirafumo, cioè: C % D mecc Il coefficiente di potenza massimo è pari a: CPmax 0. Quindi per ottenere la potenza richiesta nelle condizioni di progetto, occorre una superficie normale alla vena fluida pari a: 1 P C A v 3 P c w Ac 1.9 m 9

10 SOLUZIONE PANEMONE 1) DESCRIZIONE OGGETTO Col nome di panemoni vengono considerate macchine a pale piane fisse dotate di schermo mobile oppure a pale mobili il cui orientamento avviene tramite l azione del vento. La macchina esaminata permette l orientamento delle pale in modo da consentire il funzionamento del rotore senza necessità di schermi. Le pale forniranno forza motrice solo nella regione superiore dell aeromotore, cioè: Φ 1 0 forza motrice 0 4 forza motrice

11 SOLUZIONE PANEMONE ) CALCOLO DELLE DIMENSIONI PER OTTENERE P=00W CON V=10m/s. Utilizzo un coefficiente di resistenza per una lamina piana perpendicolare alla direzione del vento pari a: C D Ipotizzo, che il rendimento meccanico della trasmissione, sia inferiore di un 10% rispetto al rendimento del tirafumo, a causa delle perdite dovute agli urti delle pale sugli appoggi e delle perdite per l orientamento delle pale, cioè: mecc CPmax % Per ottenere la potenza richiesta nelle condizioni di progetto occorre una superficie di rotore normale alla direzione vento pari a: 1 P C A v 3 P c w 11 Ac 1.45 m

12 SOLUZIONE BUONAGURA 1) DESCRIZIONE OGGETTO L aeromotore in esame ha praticamente lo stesso principio di funzionamento del panemone precedente, la differenza principale è la direzione del perno di rotazione delle pale. Le strutture sono molto simili e anche in questo caso, avremo produzione di forza motrice utile solo per metà della rotazione dell aerogeneratore. 0 forza motrice 0 forza motrice 0 Φ

13 SOLUZIONE BUONAGURA ) CALCOLO DELLE DIMENSIONI PER OTTENERE P=00W CON V=10m/s. Ipotizzando trascurabili le perdite dovute al sollevamento delle pale attorno al perno di rotazione. Utilizzando sempre gli stessi parametri C D e η, le dimensioni delle pale, saranno le stesse di quelle viste per la soluzione tradizionale di panemone, cioè: mecc 75% CD F Ac 1.45 m 13

14 SCELTA DEL MODELLO ANALIZZO ASSIEME LE QUATTRO SOLUZIONI SULLE BASE DEI PARAMETRI DI CONFRONTO IMPOSTI. INGOMBRO FRONTALE A 1.54 m A 1.9 m A.18 m A 1.45 m COSTO ALTI ALTI BASSI BASSI AEROMOTORE 1900 Є 705 Є 175 Є 170 Є EFFICIENZA ALTA ALTA MEDIA MEDIA 85% 85% 75% 75% 14

15 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA 1) SCELTA DEL MOTORE ELETTRICO Scelgo di utilizzare una dinamo per i seguenti motivi: Il vento I dati ha di una partenza velocità a mia troppo disposizione, variabile per per mantenere la scelta del costante motoriduttore in numero sono: di giri del rotore, inoltre, se si vuole immagazzinare l energia prodotta, dobbiamo utilizzare delle batterie, le quali richiedono corrente continua. P 00W Q 16.7 N m n 8.65 giri / min 15

16 PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA ) TRASMISSIONE DEL MOTO Per trasmettere il moto dall albero di trasmissione al motore utilizzo una cinghia dentata, in questo modo si ha la possibilità di posizionare il motore fuori dall asse della canna fumaria, evitando che interagisca con i fumi caldi che escono dal camino. 16

17 COMPLETAMENTO STRUTTURA 1) BASE DELL AEROMOTORE La base verrà costruita in relazione al comignolo dove sarà posizionato l aerogeneratore. L albero dell aeromotore viene collegato alla base utilizzando dei cuscinetti a sfera a bagno d olio contenuti in una calotta a tenuta. Sulla base viene ancorato con dei fermi il motoriduttore. 17

18 COMPLETAMENTO STRUTTURA ) VENTOLA TIRAFUMO Per la funzione di tirafumo, si collega solidalmente all albero dell aeromotore una ventola, la quale sfruttando il moto dell aerogeneratore depressurizzerà la canna fumaria. La ventola viene posizionata nella parte finale dell albero di trasmissione per avere a disposizione la sezione di flusso maggiore possibile. 18

19 PROTOTIPO 1) COSTRUZIONE DEL PROTOTIPO Per verificare l effettiva funzionalità del progetto fin qui studiato, ho costruito un prototipo che possa dimostrare l efficienza o meno della soluzione costruttiva scelta. Le pale sono in cartone plastificato, ciò permette una notevole riduzione dei pesi e abbassa molto la forza necessaria al loro sollevamento durante il moto. 19

20 PROTOTIPO ) COSTRUZIONE DEL PROTOTIPO La struttura è totalmente costruita in legno e l accoppiamento con la base di sostegno è effettuata, per semplicità, tramite l utilizzo di bronzine e non con i cuscinetti visti in precedenza. Un altra modifica apportata al progetto teorico nel prototipo, è l utilizzo di un sistema composto da due anelli di acciaio, in sostituzione dei cuscinetti, per garantire la rotazione delle pale attorno ai perni. 0

21 PROTOTIPO 3) TEST AEROMOTORE In una giornata abbastanza ventosa, ho effettuato una prova dell effettiva funzionalità dell aeromotore, riprendendo il tutto con una videocamera. Durante il test ho calcolato la velocità del vento con un anemometro, questa è risultata essere mediamente pari a: vw 35 Km / h 1

22 PROTOTIPO 4) PROBLEMI RISCONTRATI Il primo problema che si evidenzia è che le pale, quando vengono sollevate dal vento, ruotano attorno ai perni, oltre la posizione voluta. Il secondo problema è che il materiale usato per le pale, essendo molto leggero, consente a queste di essere sollevate senza particolari perdite, ma non offre la giusta resistenza alla vena fluida, infatti nella posizione di massima resistenza le pale tendono a piegarsi. Il terzo problema riscontrato, sono le forti oscillazioni della struttura di sostegno, la quale risulta essere troppo flessibile, creando molte perdite di energia cinetica sull aeromotore.

23 PROTOTIPO 5) MODIFICHE APPORTATE ALLA STRUTTURA Per eliminare il problema della rotazione eccessiva delle pale, ho posizionato dei blocchi nella parte superiore dei perni, in questo modo è concessa solamente la rotazione di 90 gradi desiderata. Per il problema della bassa rigidezza delle pale, ho aggiunto su di esse, un rinforzo posizionato posteriormente alla superficie che interagisce con il vento. Per aumentare la rigidezza della struttura di sostegno, è necessario ridurre lo sbalzo a disposizione dell albero, ma per far ciò dovrei ricostruire interamente il prototipo, quindi apporto la modifica solamente sul progetto finale. 3

24 PROTOTIPO 6) VALUTAZIONE DELLE MODIFICHE APPORTATE AL PROGETTO Per verificare se il funzionamento è migliorato con le modifiche effettuate sul progetto, effettuo un altra prova sperimentale rimettendo in funzione l aeromotore. Misuro nuovamente la velocità del vento con l anemometro, ottengo una velocità praticamente uguale a quella misurata durante il primo test, cioè: vw 35 Km / h 4

25 STRUTTURA FINALE 1) CONCLUSIONE PROGETTO L utilizzo degli anelli di acciaio al posto dei cuscinetti è risultato molto positivo nelle prove, quindi, visto il vantaggio economico che si ha adottando questa soluzione, rispetto al trascurabile aumento di perdite, la sfrutto anche nel progetto finale. Per la struttura portante dell aeromotore utilizzo un unico COSTO tubo piegato, 16 dal quale ricavo sia i blocchi alla rotazione superiori, che CUSCINETTI le anse per gli anelli, ottenendo un ulteriore riduzione dei costi di produzione. 80 EURO 5

26 ) CONCLUSIONE PROGETTO STRUTTURA FINALE Termino lo studio disegnando l aerogeneratore completo di motore, con le modifiche utili viste in precedenza e con la sola aggiunta di una protezione della canna fumaria per le possibili intemperie. 6

27 ANALISI DEI COSTI VALUTO IL COSTO DEI SINGOLI COMPONENTI DELL AEROGENERATORE CORPO AEROGENERATORE (FE 360) 3 Є CUSCINETTI (SKF 61903) 10 Є 4 PALE (PVC RIGIDO) 30 Є MOTORIDUTTORE (COURTEZ) 30 Є VENTOLA (ALLUMINIO) 1 Є BASE (FE 360) 1 Є COMPONENTI VARI 5Є TOTALE 130 Є 7

28 CONCLUSIONI Il progetto finale risponde agli obiettivi posti inizialmente: la turbina garantisce le prestazioni richieste con un basso costo di costruzione. Questo studio non può prescindere da ulteriori analisi strutturali e sperimentali, ma offre comunque le basi per una possibile soluzione di sfruttamento della risorsa eolica. Naturalmente un sistema come questo, non può risolvere i problemi sulla crescita dell inquinamento globale, ma può essere utile in tutti quei casi, nei quali è sufficiente un accumulo minimo di energia da sfruttare in situazioni di emergenza o in parallelo con il sistema principale di alimentazione elettrica. 8

29 RINGRAZIAMENTI