Le prestazioni di un collettore solare parabolico lineare a concentrazione, sia in termini di resistenza meccanica che di precisione di riflessione, sono strettamente correlate alla rigidezza della struttura e quindi alla conoscenza dei carichi che vengono ad agire sulla stessa.
La conoscenza del campo di pressione sugli specchi al variare dell’angolo di pitch, oltre ad essere utile per il dimensionamento dei supporti, fornisce un’indicazione utile alla definizione della rigidezza necessaria per il telaio e le strutture di supporto della superficie riflettente, per impedirne deformazioni che inficerebbero l’efficienza di concentrazione dei raggi solari sul tubo ricevitore.
Per un concentratore solare, la forma particolare non trova un riscontro immediato nelle normative vigenti, e lo costringe il progettista a prove sperimentali o a rivolgersi a strumenti quali i codici CFD. Vale la pena però ricordare che, in linea di principio, non basterebbe la sola analisi numerica; l’affidabilità dei codici di calcolo non è ancora stata certificata nelle norme UNI, per quanto si possa aver posto con accuratezza le necessarie condizioni al contorno e ben modellato il dominio. In sostanza, per un corretto
utilizzo dei risultati, questi andrebbero verificati poi sul campo o in galleria del vento.
L’obbiettivo prefissato è stato quello di replicare con la CFD dei test in galleria del vento, o delle situazioni reali già ampiamente documentante, al fine di eseguire una taratura di un codice commerciale, così da poter ottenere uno strumento ragionevolmente agevole e preciso per una progettazione di massima.
L’analisi degli effetti del vento sulle strutture si basa prima di tutto sulla valutazione in sito dei venti, come parte di più ampi fenomeni meteorologici: nel caso esaminato, oltre alla solidità strutturale in caso di un vento di 28 m/s, si richiede una garanzia del corretto funzionamento dell’apparato ad una velocità massima di circa 14 m/s, in quanto i fenomeni meteorologici generalmente connessi ad una velocità dell’aria superiore alla suddetta inficerebbero comunque il funzionamento di un collettore solare. Assumendo che il collettore e la sua struttura siano fissi ed indeformabili, il vento esercita sull’intera struttura, e sui singoli componenti, un sistema di azioni aerodinamiche funzione della velocità del vento, del suo orientamento rispetto alla strutture e ad i suoi componenti, e della forma e delle dimensioni degli stessi. Ammettendo che gli spostamenti causati dal carico siano abbastanza piccoli da poter considerare la configurazione di
equilibrio omologa a quella non caricata (visto che comunque, per rispettare le condizioni di prestazione, è richiesto che la struttura in analisi sia nel suo complesso sufficientemente rigida), le reazioni della struttura potrebbero poi essere studiate con i metodi classici dell’analisi strutturale.
Se la costruzione è abbastanza rigida e smorzata da limitare gli effetti dinamici e i fenomeni aeroelastici, si possono rappresentare le azioni del vento con una distribuzione equivalente del carico aerodinamico da applicare staticamente alla costruzione o ai suoi elementi, che da luogo ai valori massimi degli spostamenti e delle sollecitazioni causati dall’azione dinamica del vento reale.
Se invece la struttura è leggera, flessibile e poco smorzata si avrà una risposta di tipo dinamico che andrà ad influenzare la disposizione della struttura rispetto al vento, e quindi la disposizione del carico aerodinamico e la risposta della struttura stessa: questi fenomeni di interazione sono detti aeroelastici o di feedback.
Generalmente si schematizzano i carichi come la somma dei carichi statici più quelli dovuti agli effetti di feedback.
Figura 2-1 Schema reazione di una struttura al carico aerodinamico.
Per la caratterizzazione dei venti ci rifaremo alle raccomandazioni del CNR [1]. Verrà studiato un vento schematizzabile come la somma della sua componente media U(z) calcolata su 10 minuti (che presenta variazioni nel lungo periodo), che risulta solo funzione della quota. Poiché eseguiremo delle simulazioni stazionarie, trascureremo le sue componenti fluttuanti u(x,y,z,t) (detta fluttuazione turbolenta), v(x,y,z,t) e w(x,y,z,t)). Il profilo della velocità media in funzione della quota è espresso mediante una funzione della scabrezza e della topografia del suolo nell’area della costruzione.
Per schematizzare la velocità come indipendente dalla temperatura (o meglio dal gradiente di temperatura tra aria e suolo) è necessario supporre che essa sia abbastanza alta da subire come predominante l’effetto dell’attrito determinato dalla geometria del terreno (atmosfera in “regime neutrale” , ipotesi di neutralità). Questa trattazione, in genere affidabile, ha i suoi limiti maggiori nei riguardi del distacco dei vortici e dei fenomeni aeroelastici, normalmente esaltati dalla mancanza di turbolenza.
Figura 2-3 Strato limite atmosferico ed atmosfera indisturbata.
Per la valutazione delle azioni e degli effetti del vento sulle costruzioni e sui loro elementi si procede secondo lo schema seguente: definite le caratteristiche del sito ove sorge la costruzione, si valuta la velocità di progetto e la pressione cinetica di picco del vento; definita la forma, le dimensioni e l’orientamento della costruzione, si valutano le azioni
aerodinamiche di picco esercitate dal vento sulla costruzione e sui suoi elementi. Definite le proprietà meccaniche della costruzione e dei suoi elementi si valutano, secondo le diverse situazioni e ove necessario:
le azioni statiche equivalenti;
la risposta dinamica alle azioni del vento;
le azioni e gli effetti dinamici e aeroelastici dovuti al distacco dei vortici da costruzioni ed elementi snelli;
l’insorgere di altri fenomeni aeroelastici, quali il galoppo, la divergenza e il flutter, o di situazioni aeroelastiche d’interferenza.
Successivamente verrà discusso di azioni aerodinamiche di picco; nella realtà, la non contemporaneità delle azioni di picco riduce tanto le azioni aerodinamiche globali quanto più è grande il corpo considerato. Per contro, l’amplificazione della risposta dinamica dà luogo a spostamenti e sollecitazioni tanto maggiori quanto più la struttura o l’elemento è flessibile e dotato di piccolo smorzamento. In più, a valle dei corpi si formano scie e vortici che creano azioni trasversali (alla direzione del vento) e torsionali, che possono diventare particolarmente severe per strutture snelle, leggere e dotate di piccolo smorzamento che siano soggette a un distacco alternato di vortici in risonanza con un modo proprio di vibrazione. L’oscillazione delle costruzioni o di loro elementi particolarmente deformabili modifica il flusso incidente e le azioni aerodinamiche che il vento causerebbe sul
corpo fisso. Le azioni e gli effetti associati all’interazione vento- struttura danno luogo ai cosiddetti fenomeni aeroelastici, compreso il distacco risonante dei vortici ed i casi più severi d’interferenza, che possono causare situazioni critiche per la sicurezza delle costruzioni. Se la costruzione è abbastanza rigida e smorzata da limitare gli effetti dinamici e i fenomeni aeroelastici, si possono rappresentare le azioni del vento con una distribuzione equivalente del carico aerodinamico da applicare staticamente alla costruzione o ai suoi elementi, che da luogo ai valori massimi degli spostamenti e delle sollecitazioni causati dall’azione dinamica del vento reale.