Candidato: Relatore:

Emanuele Savini Chiar.mo Prof. Luca Piancastelli

ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica

Tesi di Laurea in Laboratorio di CAD

Anno accademico 2009/2010II sessione

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

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

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTOPANEMONE ARTICOLATO SOLUZIONI PRECEDENTI

MASSA ECCESSIVA, TRASMISSIONE MOTO DIFFICOLTOSA, NECESSITA’ DI ATTUTIRE DISLIVELLI VERTICALI ROTAIA

GEOMETRIA VELA

VELA QUADRA

VELA AURICA

VELA LATINA

VELA BERMUDIANA

Sostituzione dei pannelli in alluminio con un sistema a velaRiduzione massa, montaggio semplificato, tempi di assemblaggio ridotti

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

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

DIMENSIONAMENTO BOMA E FERMO

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

Considerato il caso più gravoso, in condizioni di blocco, nella sezione più sollecitata

(prima versione scartata per motivi di costo)

ALBERO

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

(prima versione scartata per motivi di costo)

CARRELLO

Poggiante su due ruote.

Dimensioni 200x340x880 mm.

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:20000 N circa

(prima versione scartata per motivi di costo)

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

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

ALBERO E BOMAUtilizzo 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

ACCESSORI ALBERO

BOMA

BASE E TRAVI PER ATTACCO FUNI

Base in acciaio da costruzione Fe510

Travi in acciaio da costruzione Fe42

Viti mordenti M20

ROTAIA E CARRELLO Profilo a doppia T

Diametro = 11.76 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

CUSCINETTI E GENERATORI ELETTRICISopporti SYK20TF, da catalogo SKF Generatore YASKAWA, codice SGMCS-02B

Potenza massima = 3 kW

COLLEGAMENTO CARRELLISi 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

SECONDA VERSIONE (CONCLUSIONE)

COSTI E N° VIAGGI Diminuzione costi stimati molto maggiore della diminuzione di potenza

rispetto alle soluzioni precedenti da 20 kW

Recupero costi di investimento stimato in meno di 5 anni

Numero viaggi per il trasporto dell’ aerogeneratore – rotaia esclusa – limitato

Elementi Costo stimato [€]

Parti in acciaio Fe510 2800

Parti in acciaio Fe42 2950

Alberi, boma e crocette 8000

Parti in lega di alluminio 6760

Vele in dacron 2400

Generatori 800

Cuscinetti 50

Altre parti 2000

Totale 25760

350 kg/viaggio

Costo prima soluzione:

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

VELOCITA’ DI SPUNTOSi 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