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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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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
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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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
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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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
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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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
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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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
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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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
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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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
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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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
Caratteristiche delle Caratteristiche delle FuelFuel--CellsCells
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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
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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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
Layout dLayout d’’impiantoimpianto
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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
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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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
VALUTAZIONE ENERGETICAVALUTAZIONE ENERGETICA
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
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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
VALUTAZIONE ENERGETICAVALUTAZIONE ENERGETICA
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
livello inziale del serbatoio principale di H2
livello finale del serbatoio principale di H2
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
livello iniziale serbatoio riserva
livello finale serbatoio riserva
Partenza a Dicembre
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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
VALUTAZIONE ENERGETICAVALUTAZIONE ENERGETICA
Serbatoio Sganciabile
0
50
100
150
200
Dic
em
bre
Fe
bb
raio
Ap
rile
Giu
gn
o
Ag
os
to
Ott
ob
re
livello inziale del serbatoio principale di H2
livello finale del serbatoio principale di H2
0
50
100
150
Dic
em
bre
Fe
bb
raio
Ap
rile
Giu
gn
o
Ag
os
to
Ott
ob
re
livello iniziale serbatoio riserva
livello finale serbatoio riserva
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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DSOLUZIONE COSTRUTTIVA DELLA STRUTTURA ALARE
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Università degli studi di Bologna Tesi di Rosalio Garofalo
MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DSOLUZIONE COSTRUTTIVA DELLA STRUTTURA ALARE
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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 3DCOMPLESSIVO DELLA PIATTAFORMA
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MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DCOMPLESSIVO DELLA PIATTAFORMA
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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
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MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DPARTICOLARE COSTRUTTIVO DELLA STRUTTURA
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MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DPARTICOLARE IMPIANTO
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PARTICOLARE IMPIANTOMODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3D
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MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DPARTICOLARE IMPIANTO
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MODELLAZIONE CAD 3DMODELLAZIONE CAD 3DPARTICOLARE IMPIANTO
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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.