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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: Relatore:
BUONAGURA DAVIDE Chiar.mo LUCA PIANCASTELLIAnno Accademico 2007-2008
Sessione II
17/12/2008 2BUONAGURA DAVIDE
POTENZA TEORICA MESSA A DISPOSIZIONE DAL VENTO
ENERGIA EOLICA
31
2P A v W
Dove:
V = velocità del vento
A = area interessata dalla
vena fluida
ρ = densità dell’aria Rugosità del suolo.
0( ) ( ) 0( / )n
z zv v z z
Dove:
n = coefficiente di rugosità
del suolo 0<n<1
17/12/2008 3BUONAGURA DAVIDE
LIMITE DI BETZ
Albert Betz1885 - 1968
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.
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.
160.593 60%
27PC
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.
17/12/2008 4BUONAGURA DAVIDE
TURBINE EOLICHE
Lavorano principalmente sfruttando
la resistenza aerodinamica.
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.
17/12/2008 5BUONAGURA DAVIDE
PROGETTOOBIETTIVI
L’obiettivo iniziale, è quello di studiare una soluzione di aerogeneratore
ad asse verticale, che possa produrre una potenza di 200W 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
17/12/2008 6BUONAGURA DAVIDE
TIRAFUMO
2) MISURA DELLE PERDITE
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.
2 2
1 2
1 1
2 2Jw Jw R
85%mecc
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”.
17/12/2008 7BUONAGURA DAVIDE
TIRAFUMO
0.25
" "
PC
BARTOLAZZI ANDREA Leenergierinnovabili
3) CALCOLO DELLE DIMENSIONI PER OTTENERE P=200W 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
CP:
21.54A m31
2P vP C A v
Per ottenere la potenza richiesta nelle condizioni di progetto e
considerando il rendimento meccanico visto in precedenza, occorre un
diametro utile pari a:
2200D mm
17/12/2008 8BUONAGURA DAVIDE
SAVONIUS1) 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.
CD=0.35 CD=1.35
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.
17/12/2008 9BUONAGURA DAVIDE
SAVONIUS
1.35DC 85%mecc
3) CALCOLO DELLE DIMENSIONI PER OTTENERE P=200W 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:
Quindi per ottenere la potenza richiesta nelle condizioni di progetto,
occorre una superficie normale alla vena fluida pari a:
max 0.2PC
21.92cA m31
2P c wP C A v
Il coefficiente di potenza massimo è pari a:
17/12/2008 10BUONAGURA DAVIDE
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.
SOLUZIONE PANEMONE
Φ
1
2
3
4
Le pale forniranno forza motrice
solo nella regione superiore
dell’aeromotore, cioè:
0 0
2 0
forza motrice
forza motrice
17/12/2008 11BUONAGURA DAVIDE
SOLUZIONE PANEMONE2) CALCOLO DELLE DIMENSIONI PER OTTENERE P=200W CON
V=10m/s.
Utilizzo un coefficiente di resistenza per una lamina piana perpendicolare
alla direzione del vento pari a:
2DC
75%mecc
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:
Per ottenere la potenza richiesta nelle condizioni di progetto occorre una
superficie di rotore normale alla direzione vento pari a:
21.45cA m
max 0.3PC
31
2P c wP C A v
17/12/2008 12BUONAGURA DAVIDE
SOLUZIONE BUONAGURA1) 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.
Φ
1
2
3
4
0 0
2 0
forza motrice
forza motrice
17/12/2008 13BUONAGURA DAVIDE
SOLUZIONE BUONAGURA
21.45cA m
2DC
2) CALCOLO DELLE DIMENSIONI PER OTTENERE P=200W CON
V=10m/s.
Ipotizzando trascurabili le perdite dovute al sollevamento delle pale
attorno al perno di rotazione.
Utilizzando sempre gli stessi parametri CD e η, le dimensioni delle pale,
saranno le stesse di quelle viste per la soluzione tradizionale di panemone,
cioè:
F
75%mecc
17/12/2008 14BUONAGURA DAVIDE
SCELTA DEL MODELLOANALIZZO ASSIEME LE QUATTRO SOLUZIONI SULLE BASE DEI
PARAMETRI DI CONFRONTO IMPOSTI.
INGOMBRO
FRONTALE
COSTO
AEROMOTORE
ALTI
≈1900 Є
ALTI
≈705 Є
BASSI
≈175 Є
BASSI
≈170 Є
EFFICIENZA ALTA
85%
ALTA
85%
MEDIA
75%
MEDIA
75%
22.18A m21.45A m21.92A m21.54A m
17/12/2008 15BUONAGURA DAVIDE
PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA1) SCELTA DEL MOTORE ELETTRICO
Scelgo di utilizzare una dinamo per i seguenti motivi:
Il vento ha una velocità troppo variabile per mantenere costante in numero di
giri del rotore, inoltre, se si vuole immagazzinare l’energia prodotta,
dobbiamo utilizzare delle batterie, le quali richiedono corrente continua.200P W 16.7Q N m 28.65 / minn giri
I dati di partenza a mia disposizione, per la scelta del motoriduttore sono:
17/12/2008 16BUONAGURA DAVIDE
PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA2) 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.
17/12/2008 17BUONAGURA DAVIDE
COMPLETAMENTO STRUTTURA1) 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.
17/12/2008 18BUONAGURA DAVIDE
COMPLETAMENTO STRUTTURA2) 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.
17/12/2008 19BUONAGURA DAVIDE
PROTOTIPO1) 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.
17/12/2008 20BUONAGURA DAVIDE
PROTOTIPO2) 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.
17/12/2008 21BUONAGURA DAVIDE
PROTOTIPO3) 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:
35 /wv Km h
17/12/2008 22BUONAGURA DAVIDE
PROTOTIPO4) 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.
17/12/2008 23BUONAGURA DAVIDE
PROTOTIPO5) 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.
17/12/2008 24BUONAGURA DAVIDE
PROTOTIPO6) 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:
35 /wv Km h
17/12/2008 25BUONAGURA DAVIDE
STRUTTURA FINALE1) 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 tubo piegato,
dal quale ricavo sia i blocchi alla rotazione superiori, che le anse per gli anelli,
ottenendo un ulteriore riduzione dei costi di produzione.
COSTO 16 CUSCINETTI
80 EURO
17/12/2008 26BUONAGURA DAVIDE
STRUTTURA FINALE2) CONCLUSIONE PROGETTO
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.
17/12/2008 27BUONAGURA DAVIDE
ANALISI DEI COSTI
CORPO AEROGENERATORE (FE 360) → 23 Є
2 CUSCINETTI (SKF 61903) → 10 Є
4 PALE (PVC RIGIDO) → 30 Є
MOTORIDUTTORE (COURTEZ) → 30 Є
VENTOLA (ALLUMINIO) → 1 Є
BASE (FE 360) → 12 Є
COMPONENTI VARI → 25Є
VALUTO IL COSTO DEI SINGOLI COMPONENTI
DELL’AEROGENERATORE
TOTALE ≈ 130 Є
17/12/2008 28BUONAGURA DAVIDE
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.
RINGRAZIAMENTI
