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[CASE STUDY] Analisi fluidodinamiche e strutturali su concentratori solari

Progettazione di dettaglio di concentratori solari ad inseguimento

SUN GEN e ASOTECH hanno collaborato per l’ottimizzazione di un concentratore solare denominato “Dual platform”. Fin dal 2008, SUN GEN ha sviluppato una innovativa parabola ad inseguimento solare in grado di intensificare fino a 500 volte i raggi del sole riflettendoli grazie ad una specchio brevettato. Il concentratore ottico permette, ad un costo contenuto, la produzione di energia elettrica (HCPVT) o di acqua surriscaldata (CSP).

Figura 1: concentratore ad inseguimento solare singolo

IL PRODOTTO SVILUPPATO
La collaborazione tra le due aziende del territorio reggiano, ha portato alla progettazione di dettaglio della nuova linea di concentratori solari ad inseguimento “Dual platform”. Il progetto prevede la presenza di due parabole ricoperte da specchi per aumentare la produttività dell’impianto a pari ingombri.

Lo sviluppo del modello CAD è stato sviluppato dai tecnici SUN GEN sulla base dell’esperienza maturata sul modello a singola parabola. Asotech ha condotto, grazie alla tecnologia offerta dalla piattaforma ANSYS WORKBENCH, una serie di analisi fluidodinamiche e strutturali per ottimizzare la geometria del concentratore ed ottenere un considerevole risparmio di peso incrementando, al tempo stesso, le prestazioni di resistenza meccanica alle condizioni di massima gravosità di utilizzo, principalmente, in caso di vento e neve.

La doppia parabola (Figura 2) prevede un contrappeso in cemento alla base per assicurare la stabilità della struttura con vento fino a 90 km/h. Un sistema a bilanciere motorizzato sostiene le due parabole; una ralla ad asse verticale, anch’essa motorizzata, permette la rotazione del sistema e un continuo allineamento delle parabole con il sole. Un telaio realizzato con profilati in alluminio curvati sostiene un composito brevettato e realizzato da SUN GEN che compone la superficie riflettente. Al centro del fuoco della parabola, può essere prevista, in alternativa, una cella solare ad alto rendimento od un sistema di generazione di acqua surriscaldata. Grazie a questa tecnologia, il sistema è in grado di avere rendimenti prossimi all’80%, molto superiori rispetto a quelli garantiti da un impianto solare tradizionale.

Figura 2: concentratore ad inseguimento solare “Dual platform”

METODOLOGIA DI ANALISI
Per sviluppare il prodotto “Dual platform”, Asotech, partendo da un modello CAD di primo tentativo, ha effettuato una serie di analisi fluidodinamiche sia in condizioni di esercizio che fuori esercizio per individuare le forze sulla struttura in funzione delle diverse orientazioni del vento. Si sono quindi eseguite analisi strutturali e verifiche secondo le norme italiane NTC 2008 e EUROCODICE delle principali saldature e dei collegamenti bullonati in modo da definire gli spessori ideali dei vari componenti.

Successivamente si sono verificate le strutture sottoposte alle più gravose condizioni di lavoro:

  • Vento fuori esercizio 90 km/h
  • Vento in esercizio 60 km/h
  • Accumulo di neve

Figura 3: diagramma metodologia seguita

VERIFICHE FLUIDODINAMICHE “CFD”
Utilizzando la piattaforma FLUENT di ANSYS sono state simulate le condizioni di vento in esercizio e fuori esercizio sul “Dual platform”. Si è impostato un modello con una geometria molto raffinata e uguale a quella realmente costruita in modo da individuare ogni eventuale anomalia di funzionamento e poter studiare l’andamento dei flussi nel dettaglio (Figura 3 e Figura 4); particolare attenzione è stata prestata allo studio delle pressioni sia positive (agenti sulle superfici direttamente investite dal vento) che negative (agenti sulle superfici in depressione) in modo da poter valutare nel dettaglio stabilità del sistema e forze agenti.

Figura 4: andamento velocità in condizioni di funzionamento

Figura 5: andamento flussi con vento in esercizio

VERIFICHE STRUTTURALI “FEM”
Con i dati provenienti dalle analisi fluidodinamiche si sono realizzate analisi strutturali particolarmente accurate. La struttura è stata realizzata con elementi shell e beam per alleggerire il modello di calcolo.

Particolare importanza è stata data al composito che forma lo specchio della parabola: per ottenere i risultati migliori si sono simulati i vari strati che compongono il pannello e si sono monitorate le tensioni tangenziali per assicurarsi che l’incollaggio non ponesse criticità.

Le analisi eseguite seguendo le specifiche dell’EUROCODICE e NTC 2008 hanno consentito la verifica delle saldature, dei collegamenti bullonati e dei vari elementi che compongono il “Dual platform” nelle varie condizioni di carico. La più gravosa è risultata essere quella con carico da neve seguita da quella di vento in esercizio. La condizione di sicurezza prevista con vento fuori esercizio conferisce alla struttura la resistenza a venti di velocità superiore ai 90 km/h.

Le verifiche sono state svolte con Ansys Workbench utilizzando analisi non lineari che hanno permesso di utilizzare contatti monolateri e avanzati per simulare il corretto accoppiamento dei vari elementi componenti la struttura.

Figura 6: spostamenti della struttura con carico da neve

Figura 7: spostamenti della struttura con vento in esercizio

E’ evidente, come da Figura 8, che gli elementi più sollecitati sono il palo di sostegno verticale in caso di vento e il bilanciere in caso di carico da neve. Sugli elementi sono state eseguite valutazioni statiche con limite pari allo snervamento dei materiali (con adeguato coefficiente di sicurezza) e non a fatica poiché le condizioni prese in esame non sono soggette a carico ciclico.

Figura 8: tensioni sulla struttura con carico da neve

RISULTATI OTTENUTI
L’attività svolta ha prodotto un’ottimizzazione molto spinta in termini di riduzione di massa e aumento della resistenza della struttura con carichi da vento e neve molto elevati, in particolare, ha permesso di alleggerire la struttura iniziale di oltre il 30% incrementano, contemporaneamente, la resistenza a neve e vento del 40%. La verifica si è avvalsa di tecniche avanzate, applicando le normative vigenti (EUROCODICE e NTC 2008), in modo da fornire, al termine dei lavori, la necessaria documentazione per il fascicolo tecnico.

Scritto da: Ing. Davide Mavillonio e Dott. Ugo Manfredi

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Asotech (www.asotech.it) è una Società di oltre 100 professionisti e 3 sedi operative a Reggio Emilia, Modena e Bologna. La progettazione meccanica è il core business della società, cui si aggiungono altri servizi come calcoli strutturali e fluidodinamici, documentazione tecnica, costruzione di prototipi, animazione e rendering 3D, e, non ultimo, la progettazione software. I principali settori delle attività Asotech sono automotive, energie rinnovabili, macchine alimentari, biomedicale, trasporti e amusement ride.

SUN GEN Srl (www.sungen.it) è una compagnia italiana ad alto contenuto d’ innovazione tecnologica con più di 9 anni di esperienza investiti in R&D nel settore dei concentratori solari e vincitrice del bando Horizon 2020.