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WIND ENERGY – WIND ENGINEERING

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WIND ENERGY – WIND ENGINEERING Powered By Docstoc
					MODELLAZIONE E ANALISI COMPUTAZIONALE DI STRUTTURE Tutor: Prof. Francesco Ubertini

PROGETTO DI RICERCA La limitatezza delle risorse e l’aumento della pressione antropica ha imposto una riflessione a tutto campo, atta da un lato a razionalizzare l’uso delle risorse e dall’altro a mitigare l’impatto antropico sull’ambiente. In tale ambito si inserisce soprattutto lo sfruttamento sostenibile (a costo minimo per l’ambiente) delle fonti energetiche rinnovabili quali vento, onde di mare e correnti fluviali, superando sistemi ed impiantistiche ormai difficilmente proponibili. La rilevanza delle problematiche affrontate è sentita a livello mondiale. Il progetto di ricerca si inserisce in un contesto di notevole interesse per l’ingegneria civile delle strutture ed ambientale. Lo studio, infatti, del comportamento e della interazione tra fluido e strutture è fondamentale per una serie di applicazioni sia nel settore civile che ambientale. Le turbine eoliche e marine rappresentano lo strumento per mezzo del quale è possibile catturare l’energia cinetica e dell’acqua e convertirla in energia meccanica od elettrica. Esse sono classificate in due categorie in base alla direzione del proprio asse di rotazione turbine ad asse orizzontale e turbine ad asse verticale. Le turbine ad asse orizzontale catturano l’energia cinetica del fluido che le investe per mezzo di un rotore il cui asse di rotazione deve essere sempre disposto nella direzione del flusso tramite un dispositivo di allineamento elettro-meccanico o fluidodinamico; esse sono adatte per flussi la cui direzione è mediamente costante. Le turbine ad asse verticale sono dotate di rotori a pale diritte o curve, con asse di rotazione ortogonale alla direzione del flusso. E’ stato analiticamente dimostrato che il rendimento ideale, ovvero in assenza di qualsiasi causa dissipativa, delle turbine ad asse verticale è pari a quello delle turbine ad asse orizzontale. La peculiarità delle turbine ad asse verticale, che sta creando notevole interesse sia in ambito nazionale che europeo, è che esse possono catturare l’energia cinetica del fluido da qualunque direzione esso provenga e garantiscono un rendimento anche con velocità di flusso relativamente basse, pertanto, sono particolarmente adatte per lo sfruttamento di flussi quali le velocità del vento a pochi metri sul livello terra (2-3 m s.l.t.), correnti di marea e correnti fluviali. La necessità di incentivare lo sviluppo e la diffusione di generatori eolici con ridotto impatto ambientale per l’utilizzo esclusivamente domestico (minieloloco), ha riscontrato nelle turbine ad asse verticale un validissimo sistema di risposta a tale esigenza. Per “minieolico” si intendono piccoli impianti, da installare in parchi o spiagge di fattorie, villaggi o ville. Per questi impianti casalinghi il prezzo di installazione risulta più elevato, attestandosi attorno ai 1500 – 3000 € al KW, questo perché il mercato di questo tipo di impianti è ancora poco sviluppato, anche a causa delle normative che, a differenza degli impianti fotovoltaici, in quasi tutta Europa ne disincentivano l’uso, sulla scia di un pensiero diffuso soprattutto nei decenni passati, che vedeva nelle turbine eoliche ad asse orizzontale grossi problemi di impatto paesaggistico. Un generatore eolico ad asse verticale (VAWT – Vertical Axis wind Turbines) è un tipo di macchina eolica contraddistinta da una ridotta quantità di parti mobili nella sua struttura, il che le conferisce un’alta resistenza alle forti raffiche di vento, e la possibilità di sfruttare qualsiasi direzione del vento senza doversi riorientare continuamente. E’ una macchina molto versatile, adatta all’uso domestico come alla produzione centralizzata di energia elettrica di Gigawatt. Gli aerogeneratori tradizionali e quelli attualmente più diffusi hanno, quasi senza eccezioni, l’asse di rotazione orizzontale (con altezze di torre di 100 – 130

metri). La velocità del vento cresce con la distanza dal suolo e si ha quindi l’esigenza di avere rotori di grandi dimensioni ad altezze di 120 metri circa: tutto ciò rappresenta la causa principale delle complicazioni statiche dell’intera macchina, che impone sia fondazioni complesse e costose sia strategie sofisticate di ricovero in caso di improvvise raffiche di vento troppo forte. Nelle Turbine ad Asse Verticale tali problemi di impatto fluido-struttura sono notevolmente ridotti con valido compromesso costi/benefici sia per quanto concerne l’installazione sia la successiva manutenzione. I principali vantaggi dell’asse verticale sono quindi il costante funzionamento indipendentemente dalla direzione del vento e la migliore resistenza sia alle alte velocità dei venti sia alla loro turbolenza. La Valutazione e la Programmazione delle Fasi di Studio del Progetto di Ricerca “WIND ENGINEERING – WIND ENERGY” per lo sviluppo di Turbine ad Asse Verticale (“Vertical Axis Wind Turbine – VAWT”) si focalizzerà nello sviluppo di soluzioni energetiche in una prospettiva di utilizzo domestico a scala territoriale. Il progetto di ricerca si colloca nell’ambito di una stretta collaborazione, con i 2 gruppi di ricerca del “Department of Civil Engineering” – The University of Tokyo (Japan) (Proff. Yozo FUJINO, Takeshi ISHIHARA) e del “Department of Materials Engineering” – The University of Tokyo (Prof. Manabu ENOKI) all’interno di un progetto organico “Fonti di Energia Rinnovabili: Energia Eolica e Turbine ad Asse Verticale”. L’intera ricerca si avvale delle risorse del Laboratorio di Meccanica Computazionale (LAMC) del DISTART, Laboratorio BRIDGE & STRUCTURE della Università di Tokyo – Japan, Lab del Department of Materials Engineering, the University of Tokyo – University of Tokyo – Japan.

PIANO DI FORMAZIONE: 1) Sviluppo di un “Sistema di Analisi del Microclima per Territori Complessi” (“Miocroclimate Analysis System for COmplex Terrain - MASCOT”) per la predizione del vento locale e successiva “Mappatura del Territorio” in funzione della velocità media del vento a circa 3-4 m s.l.t (Sul Livello Terra). Si farà riferimento alle Equazioni che governano il problema secondo il Modello non-lineare k   di Shih (Shih’s k   non-linear model). 2) Interazione fluidodinamica di strutture e contorno ambientale (vento, onde e correnti) con modellazione del problema in specifico in ambiente ADINA. Interazione fluido-struttura per Turbine ad Asse Verticale con sperimentazione e simulazione che verrà realizzata presso la Galleria del Vento (“WIND TUNNEL”) del Laboratorio BRIDGE & STRUCTURE della Università di Tokyo – Japan avendo come HOST ADVISOR il PROFESSORE YOZO FUJINO 1 – Department of Civil Engineering – University of Tokyo – Hongo, Bunkyo-ku 3) Studio e Identificazione di Difetti/Danni per fatica per il Vertical Axis Wind Turbine System utilizzando prototipo in scala (opportunamente dimensionato) con applicazione del Sensore “Smart Stress Memory Patch” presso il WIND TUNNEL

ed il Lab del Department of Material Engineering, the University of Tokyo – University of Tokyo – Japan. 4) Simulazione Numerica delle Prestazioni delle Turbine ad Asse Verticale (Vertical Axis Wind Turbine). Gli obiettivi principali dell’analisi fluidodinamica della turbina ad asse verticale verteranno sullo studio dei seguenti punti: a. sviluppare modelli numerici in grado di predire le prestazioni fluidodinamiche delle turbine del presente oggetto di ricerca; b. utilizzare i carichi fluidodinamica così stimati per valutare la risposta strutturale della turbina, ed in particolare le pale, sotto l’azione del fluido I metodi di analisi fluidodinamica che verranno presi in considerazione ed utilizzati per il confronto dei risultati ottenuti sono: 1. metodi basati sullo sviluppo di quantità di moto (momentum methods) , ad es. Double Multiple Streamtube (DMS). Tali metodi sono di tipo stazionario e con tempi di calcolo molto ridotti 2. metodi a vortici (vortex methods). Sono di tipo instazionario e consentono una più fedele simulazione del campo di moto della turbina rispetto ai metodi momentum methods ma con tempi di calcolo abbastanza lunghi. Verranno sviluppati Codici di Calcolo basati su entrambe le metodologie, con lo scopo di comprendere a fondo le caratteristiche di funzionamento di tali turbine, al fine di migliorarne le prestazioni sia in termini di coppia all’avviamento che di efficienza nelle condizioni di funzionamento nominali, per lo studio dell’interferenza tra due o più turbine affiancare, per lo tudio degli effetti della curvatura del flusso.


				
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posted:12/24/2009
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