UNIVERSITA ’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA internet/catalogo... · 2018-04-05 · 26/05/2006 1 UNIVERSITA ’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTA ’ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria

26/05/2006 1

UNIVERSITAUNIVERSITA’’ DEGLI STUDI DI BOLOGNADEGLI STUDI DI BOLOGNA

FACOLTAFACOLTA’’ DI INGEGNERIADI INGEGNERIA

Corso di Laurea in Ingegneria MeccanicaCorso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Disegno Tecnico IndustrialeDisegno Tecnico Industriale

Tesi di Laurea di : Relatore:

ROSALIO GAROFALO Chiar.mo Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

Correlatori :

Prof. Ing. FRANCO PERSIANI

Prof. Ing. GIANMARCO SAGGIANI

Dott. Ing. ALESSANDRO CERUTI

ANNO ACCADEMICO 2001 - 2002

STUDIO E DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA DI UN

AEROPLANO SENZA PILOTA PER ALTISSIME QUOTE E LUNGA AUTONOMIA A PROPULSIONE SOLARE

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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo

FASI DELLA DISCUSSIONEFASI DELLA DISCUSSIONE

��VALUTAZIONE DELLE SPECIFICHEVALUTAZIONE DELLE SPECIFICHE

��STUDIO PARAMETRICO DELLA STUDIO PARAMETRICO DELLA

SOLUZIONE COSTRUTTIVA SOLUZIONE COSTRUTTIVA

��DIMENSIONAMENTO DI MASSIMADIMENSIONAMENTO DI MASSIMA

��STUDIO DEL SISTEMA DI PROPULSIONE STUDIO DEL SISTEMA DI PROPULSIONE

MISTO : FUEL CELLS, SOLAR CELLS.MISTO : FUEL CELLS, SOLAR CELLS.

��LAYOUT DI IMPIANTO LAYOUT DI IMPIANTO

��MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3D

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VALUTAZIONE DELLE SPECIFICHEVALUTAZIONE DELLE SPECIFICHE

�Carico utile 1000 N

�P richiesta dal carico utile 800 W

�P installata. 6000 W

�Velocità di crociera 71 km/h-17km

�Autonomia teorica 12 mesi

�Propulsione mista Fuel-Cell;Solar-Cell

�Combustibile Idrogeno

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Tipici campi di applicazioneTipici campi di applicazione

��CONTROLLCONTROLLO DELO DELLL’’INQUINAMENTOINQUINAMENTO

ATMOSFERICOATMOSFERICO

��SERVISERVIZIOZIO DIDI CONTROLLO CONTROLLO

METEOROLOGICOMETEOROLOGICO

��MONITORAMONITORAGGIOGGIO DEDEI CONFINI I CONFINI

��MONITORAMONITORAGGOGGO IN TEMPO REALE IN TEMPO REALE

DELLE ZONE A DELLE ZONE A RISCHIO SISMICORISCHIO SISMICO

�� FUNZIONI DI FUNZIONI DI

SORVEGLIANZASORVEGLIANZA

��SERVISERVIZIOZIO PER LE PER LE

TELECOMUNICAZIONI TELECOMUNICAZIONI

��MONITORAMONITORAGGIOGGIO DELDELLE ACQUE LE ACQUE

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STUDIO PARAMETRICO DELLA SOLUZIONE STUDIO PARAMETRICO DELLA SOLUZIONE

COSTRITTIVACOSTRITTIVA

PotenzialitPotenzialitàà delle celledelle celle

Energia solare media giornaliera

fornita in un anno a diverse latitudini

in W/m^2

0

2000

4000

6000

Gen.Feb.Mar.Apr.Mag.

Giu.Lug.Ago.

Set.Ott.Nov.D ic.

42°36°44°

Energia fornita dalle celle solari in

W/m^2 e richiesta alle fuel cells nel

giorno piu critico dell'anno

0

100

200

300

400

500

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

ore

EnergiaF.C. in W

Energia

C.S. in W

%21SC ====ηηηη

Sw

Ptot

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ALGORITMO DI DIMENSIONAMENTOALGORITMO DI DIMENSIONAMENTO

� CARATTERISTICHE MISSIONE E POTENZA RICHIESTA

� CARICO UTILE

� CARATTERISTICHE AERODINAMICHE

DATI DI INPUTDATI DI INPUT

)richiesto(C

C)calcolato(

C

C

D

L2

3

D

L2

3

≥≥≥≥ ⇒⇒⇒⇒��DIMENSIONIDIMENSIONI

��PESOPESO

��AERODINAMICAAERODINAMICA

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Caratteristiche strutturali e pesiCaratteristiche strutturali e pesi

�Sala = 176.5 m^2

�bala = 73 m

�cala = 2.97 m

�ARala = 30.2

�Scoda = 28 m^2

�bcoda = 17.5 m

�ccoda = 1.6 m

�ARcoda= 11

�Wstruttura = 3404 N

�Wscells = 1250 N

�Wfcells = 150 N

�Wradiatore = 250 N

�Wserbatoio = 600 N

�Widrogeno = 2000 N

�Wpropulsione= 300 N

1.3n

S**n*75,8W

max

7775.0

W

4665.0311.0

str

====

λλλλ====

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Scelta dei profili alariScelta dei profili alari��Bisogna ridurre il rapporto Bisogna ridurre il rapporto Cd/Cl^1,5Cd/Cl^1,5

��Profilo sceltoProfilo scelto per lper l’’ala ala DU 97DU 97--155155 con con CdCd0 0 =0,0045=0,0045

�� Profilo scelto per la coda Profilo scelto per la coda FX 71FX 71--LL--150/30 o 2150/30 o 20 0 ((profilo simmetrico)profilo simmetrico)

Eff. con Re = 700000

0

20

40

60

80

100

1200,

05

0,27

0,51

0,75

0,99

1,23

1,43 1,

6 Cl

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CARATTERISTICHE CARATTERISTICHE

POTENZAPOTENZA--VELOCITAVELOCITA--QUOTAQUOTA

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

4,6

6,6

8,6

10

,6

12

,6

14

,6

16

,6

18

,6

20

,6

22

,6

Pot. a Z=5km Pot a Z=0 km

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

350009,

511

,513

,515

,517

,519

,521

,523

,525

,527

,5

Pot a Z=10 km Pot a Z=17 km

Densità dell'aria

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0

10

00

20

00

40

00

60

00

10

00

0

14

00

0

18

00

0Quota

wD

3

req SCV2

1P ρρρρ====

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Diagramma di manovra e di raffica Diagramma di manovra e di raffica

al decollo (secondo norme ICAO)al decollo (secondo norme ICAO)

ntosostentame.min

WmaxL

totStallo V

SC

W2V ====

ρρρρ====

1.3n86,1 <<<<<<<<−−−−

Stallomax V*nV ====

∑∑∑∑ ++++πλπλπλπλ

++++====

++++====

.est.Dserb

2

LiDDtot

codamaxLalamaxlmaxl

Ce

CCC

CCC

0

��Massima raffica sostenibile al decollo Massima raffica sostenibile al decollo wwmaxmax = 6.8 m/s (24.5 km/h)= 6.8 m/s (24.5 km/h)

��Massima raffica sostenibile a 17 km wMassima raffica sostenibile a 17 km wmax max =19.5 m/s (70.2 km/h) =19.5 m/s (70.2 km/h)

��VelocitVelocitàà massima di discesamassima di discesa al decolloal decollo con con ββ=30=30°° VVlimlim= = 27.227.2 m/sm/s

��VelocitVelocitàà massima di discesa con massima di discesa con a 17 km a 17 km ββ=30=30°° VVlimlim= = 80.80. 5 5 m/sm/s

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Valutazione dei limiti della piattaforma e Valutazione dei limiti della piattaforma e

scelta della scelta della VVcrocieracrociera

VVlimlim = = 80.580.5 m/sm/s

VVstallostallo = 16,5 m/s= 16,5 m/s

wwmaxmax = 19.5 m/s= 19.5 m/s

wwwindmaxwindmax== 13,9 m/s13,9 m/s��La velocitLa velocitàà di di crociera crociera èè un buon un buon compromesso tra i compromesso tra i limiti calcolati e la limiti calcolati e la potenza a disposizionepotenza a disposizione

W4300Preq ====

VVstallostallo<V <V crocieracrociera<<VVlimlim

wwmaxmax> > wwwindmaxwindmax

VVcrocieracrociera== 22 m/s22 m/s

��I datiI dati qui di qui di seguito riportati seguito riportati stati ottenuti tramite stati ottenuti tramite un indagine un indagine statistica che va dal statistica che va dal 1963 al 19971963 al 1997

��I valori minimi di I valori minimi di velocitvelocitàà sono sono compresi tra una compresi tra una quota che va da quota che va da 18Km a 22Km18Km a 22Km

��Il valore piIl valore piùùcritico alla quota di critico alla quota di volo interessata volo interessata dalla nostra dalla nostra piattaforma lo si ha piattaforma lo si ha nel mese di gennaio nel mese di gennaio wwwindwind=50Km/h=50Km/h

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Caratteristiche delle Caratteristiche delle FuelFuel--CellsCells

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Caratteristiche delle Caratteristiche delle FuelFuel--CellsCellsFunzionamento delle celle Effetti della temperatura:

•Riduce la polarizzazione ohmica,in quanto aumenta la conducibilitàionica dell’elettrolita;

•Migliora i fenomeni di trasporto,riducendo la polarizzazione di concentrazione;

•Migliora la cinetica di reazione,riducendo la polarizzazione di attivazione;

•Migliora in genere la tolleranza alle impurezze presenti nel gas di alimentazione

Effetti della pressione:

•Migliora i fenomeni di trasporto e la solubilità dei gas nell’elettrolita

•Riduce la perdita di elettrolita

(se liquido) problema che si ha soprattutto nelle celle ad alta temperatura;

•Maggiori problemi ai materiali di cella;

Effetti delle impurezze:

•Riducono in generale le prestazioni di cella

La cella scelta è una cella

PEFC(Polymer Elettrolyte Fuel

Cell)

perché presenta rispetto alle altre i

seguenti vantaggi:

•Elevata densità di potenza dello

stack >di 1 Kw/l

•Assenza di problemi di

corrosione tipici di altri tipi di

celle con elettrolita liquido

•Relativa semplicità costruttiva

•Tempo di avviamento

dell’ordine di qualche minuto

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Layout dLayout d’’impiantoimpianto

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VALUTAZIONE ENERGETICAVALUTAZIONE ENERGETICA

Consumo in Kg diH2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Genn

aioFebbra

ioM

arzo

Aprile

MaggioG

iugnolug

lioAgost

oSette

mbre

Otto

breNove

mbre

Dic

embre

Produzione in Kg di H2

0102030405060708090

100

Genn

aioFebbra

ioM

arzoAprile

MaggioG

iugno

luglio

Agosto

Settem

breOtto

breNove

mbre

Dicem

bre

%55fc ====ηηηη

fc

eqr

fc

P P

ηηηη==== accscw.smgtot.sol **S*EE ηηηηηηηη====

.req.tot.solex EEE −−−−====

⇒⇒⇒⇒ Stack da

11kW

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020406080

100120140160180200

Ge

nn

aio

Fe

bb

raio

Ma

rzo

Ap

rile

Ma

gg

io

Giu

gn

o

lug

lio

Ag

os

to

Se

tte

mb

re

Ott

ob

re

No

vem

bre

Dic

em

bre

livello inziale del serbatoio principale di H2

livello finale del serbatoio principale di H2

0

20

40

60

80

100

120

140

Ge

nn

aio

Fe

bb

raio

Ma

rzo

Ap

rile

Ma

gg

io

Giu

gn

o

lug

lio

Ag

os

to

Se

tte

mb

re

Ott

ob

re

No

vem

bre

Dic

em

bre

livello iniziale serbatoio riserva

livello finale serbatoio riserva

Partenza a Gennaio

26/05/2006 17



0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Dic

em

bre

Ge

nn

aio

Fe

bb

raio

Ma

rzo

Ap

rile

Ma

gg

io

Giu

gn

o

lug

lio

Ag

os

to

Se

tte

mb

re

Ott

ob

re

No

vem

bre



0

20

40

60

80

100

120

140

Dic

em

bre

Ge

nn

aio

Fe

bb

raio

Ma

rzo

Ap

rile

Ma

gg

io

Giu

gn

o

lug

lio

Ag

os

to

Se

tte

mb

re

Ott

ob

re

No

vem

bre



Partenza a Dicembre

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Serbatoio Sganciabile

0

50

100

150

200

Dic

em

bre

Fe

bb

raio

Ap

rile

Giu

gn

o

Ag

os

to

Ott

ob

re



0

50

100

150

Dic

em

bre

Fe

bb

raio

Ap

rile

Giu

gn

o

Ag

os

to

Ott

ob

re



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MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DSOLUZIONE COSTRUTTIVA DELLA STRUTTURA ALARE

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MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DCOMPLESSIVO DELLA PIATTAFORMA

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MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DPARTICOLARE SERBATOIO

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MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DPARTICOLARE SERBATOIO

26/05/2006 28


MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DPARTICOLARE COSTRUTTIVO DELLA STRUTTURA

26/05/2006 29


MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DPARTICOLARE IMPIANTO

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PARTICOLARE IMPIANTOMODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3D

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CONCLUSIONI

��Effettiva realizzabilitEffettiva realizzabilitàà della piattaforma,a patto della piattaforma,a patto di una verifica di di una verifica di affidabilitaffidabilitàà dei componenti di dei componenti di impianto e di impianto e di una verifica strutturaleuna verifica strutturale pipiùùappropriata.appropriata.

��Sicuro vantaggio sia economico sia in termini di Sicuro vantaggio sia economico sia in termini di impegno tecnologico.impegno tecnologico.

��PossibilitPossibilitàà di miglioramenti futuri con di miglioramenti futuri con ll’’evoluzione dei sistemi per lo sfruttamento delle evoluzione dei sistemi per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili.fonti rinnovabili.

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