Il prototipo è stato pensato per una potenza di circa 1 kW accessibile con onde di circa 2 m di altezza, è stato installato a circa 1,6 km a largo di Genova Sturla a Settembre 2015 per un periodo di prove in condizioni di mare reale, con l’obiettivo di una valutazione qualitativa del comportamento di SeaSpoon, della capacità di rimanere in fase con l’onda e quantitativa in termini di potenza convertita ed efficienza di captazione nelle diverse condizioni marine che si presenteranno nell’arco dell’installazione.
Il prototipo è composto da 2 pale rotanti calettate sul medesimo albero di collegamento e supportate in generale dalla struttura della macchina stessa. Le pale mobili sono collocate nella “coda” della macchina denominata navicella. Al fine di immagazzinare/generare energia l’albero delle pale è collegato, tramite accoppiamento a catena (rapporto 1:1) ad un sistema composto da due pistoni che comprimono alternativamente un fluido motore (olio).
103 Figura 67 – Vista laterale dell’installazione
L’installazione si base sul supporto di una meda elastica ancorata al fondale marino. La navicella del SeaSpoon è ancorata a questo punto semi fisso grazie a delle flange e a due elementi di collegamento che permettono sia la movimentazione verticale del SeaSpoon (tramite un pistone dedicato), sia il movimento rotatorio sul piano orizzontale, che risulta in questo caso un movimento spontaneo del dispositivo.
Il braccio superiore è corredato da una canalina flessibile che ha lo scopo di convogliare il cablaggio dalla navicella. La testa del SeaSpoon direttamente sulla meda è dotata di un sostegno che contiene anche il pistone di movimentazione, inoltre, le due flange di cui sopra, sono dotate di due cerniere imbullonate e collegate tramite opportuno albero verticale per permettere la rotazione orizzontale del SeaSpoon. In generale, è possibile distinguere quattro parti fondamentali del SeaSpoon: il sistema di ancoraggio, il braccio e la navicella e l’albero con le pale su di esso calettate.
104 Sistema di ancoraggio
Per la verifica in mare del dispositivo è stata installata una meda elastica opportunamente attrezzata. La meda elastica è costituita da un pilone modulare, di forma tubolare, flangiato sul fondo per il fissaggio. Tra la flangia alla base del pilone e quella ancorata al fondo è posto un elemento gommoso che garantisce un minimo di elasticità alla struttura in modo da assorbire al meglio l’energia trasferita dal moto ondoso e dalle correnti. Pertanto questo giunto di fondo consente, entro certi limiti, il movimento della meda. In prossimità della superficie marina, alla meda viene fissato un galleggiante di opportune dimensioni, che genera una coppia auto-equilibrante per tenere la meda sempre in posizione eretta. La meda elastica fornisce quindi un punto di ancoraggio prossimo alla superficie marina di tipo semi-fisso, e sostanzialmente insensibile al moto ondoso di superficie. La meda elastica è in grado di resistere alle sollecitazioni in tutte le direzioni, sia parallele che ortogonali alla superficie del mare: le dimensioni del galleggiante e la posizione dello stesso determinano una maggiore o minore stabilità della meda elastica stessa.
Sulla sommità della meda , ad una altezza di circa 5 metri dal pelo dell’acqua, è posizionato un cestello in materiale policarbonato, accessibile tramite una scaletta e botola sul fondo, in grado di contenere e proteggere i quadri di controllo e alimentazione delle apparecchiature. Originariamente il cestello non era provvisto di copertura. Al fine di garantire la massima protezione alle apparecchiature è stato realizzato un coperchio metallico con chiusura, apribile dall’interno entrando nel cestello dalla botola. Il coperchio garantisce maggiore protezione da agenti atmosferici e uccelli marini.
Sulla sommità del cestello si trovano l’elemento riflettivo passivo che rende la struttura identificabile dai radar dei natanti ed una lanterna di segnalazione con luminosità idonea a garantirne la visibilità fino ad una distanza di 3 miglia marine, come da specifica inserita nella concessione. Sulla struttura esterna del cestello in policarbonato sono fissati i pannelli solari di alimentazione della strumentazione.
105 Figura 69 - Componenti della meda elastica: corpi iniziali immersi, corpo centrale per il fissaggio del galleggiante,
106 Figura 70 - Foto della meda elastica appena eretta durante le fasi di installazione
Braccio meccanico
Il braccio meccanico di sostegno e posizionamento, interamente realizzato in acciaio inossidabile marino 316, è fissato al corpo del SeaSpoon in prossimità della superficie marina tramite una doppia staffa a collare che “abbraccia” il corpo della meda. Tra tale
107 staffa ed il braccio meccanico è presente un giunto di tipo a perno, che consente il libero sbandieramento del sistema SeaSpoon su un piano parallelo alla superficie marina. Tale sbandieramento consente l’auto-orientamento del SeaSpoon, che si pone quindi nella posizione ottimale per la captazione dell’energia delle onde, ovvero in posizione parallela al fronte d’onda (il braccio meccanico perpendicolare al fronte stesso).
L’auto-orientamento è ottenuto grazie al posizionamento di tale perno, e quindi asse di sbandieramento, in posizione arretrata rispetto la meda stessa: la massima escursione angolare di sbandieramento è regolata da opportuni finecorsa.
La staffa di fissaggio alla meda è posizionata ad una profondità di circa due metri, in modo da consentire al corpo centrale del SeaSpoon di emergere completamente per eventuali operazioni di manutenzione. Viceversa, la posizione di massima profondità viene utilizzata nel caso di moto ondoso eccessivamente energetico, ovvero di tempesta, al fine di proteggere la turbina. La navicella, a partire dal fissaggio alla meda, viene movimentata grazie ad un pistone idraulico ed una centralina di controllo. Tale braccio meccanico è in realtà costituito da due elementi paralleli, opportunamente vincolati alle estremità in modo da mantenere sempre in posizione orizzontale il corpo del SeaSpoon, a qualunque profondità operativa.
La pompa ed il pistone che governano l’alzata del braccio meccanico sono dimensionati per riuscire a muovere il braccio stesso anche a secco. In acqua il braccio meccanico, internamente cavo, è dimensionato per essere all’incirca neutro dal punto di vista del galleggiamento.
Figura 71 - Braccio di regolazione per la profondità del SeaSpoon, con posizionamento di minima e massima profondità
108 Figura 72 - Viste di dettaglio del braccio di regolazione della profondità, in posizione orizzontale, inclusi l'ancoraggio
alla meda elastica ed il corpo centrale del SeaSpoon
Figura 73 - Dettaglio del sistema di ancoraggio alla meda
Corpo centrale (navicella)
Il corpo centrale del SeaSpoon, è costituito da un contenitore stagno in acciaio inox 316, dotato di tenute sull’unico albero rotante del dispositivo, a cui sono calettate le due pale
109 atte alla captazione dell’energia dei moti orbitali delle onde gravitazionali di superficie, ovvero le onde marine. Le pale sono quindi poste in rotazione dal moto ondoso, e trasmettono tale moto rotazionale ad una ruota dentata, posta interna al corpo centrale. Tale ruota dentata pone in movimento un albero a gomito a cui sono connessi due pistoni idraulici, ciascuno a doppio effetto, per la compressione dell’olio, che costituisce il fluido di lavoro del sistema. L’impermeabilità della scatola è garantita da una guarnizione di tenuta e da 38 dadi in ottone di chiusura. È stato scelto l’ottone come materiale per i dadi al fine di facilitare le operazioni di apertura della scatola anche dopo lunghi periodi in mare. L’ottone risulta piu’ morbido dell’acciaio inox e qualora il dado fosse completamente bloccato si riuscirebbe a tagliarlo senza rischiare di rovinare il perno filettato interno, costruito invece in acciaio inox.
La scelta di porre due pistoni idraulici a doppio effetto all’interno della scatola, sfasati di 136°, è stata dettata da un ragionevole compromesso tra semplicità costruttiva e costanza della coppia resistente.
In una versione commerciale del SeaSpoon, tale olio idraulico in pressione potrebbe essere utilizzato per la generazione di energia. Nel caso del presente prototipo, al fine di dimostrare la fattibilità e le prestazioni del SeaSpoon, è stato sufficiente misurare la pressione e la quantità dell’olio pompato: tale olio viene quindi poi laminato in un’ apposita valvola di massima pressione e restituito al serbatoio di olio alla pressione ambiente il circuito verrà ulteriormente descritto nel seguito. Tale serbatoio di olio è stato ricavato nella “testa ” del corpo centrale del SeaSpoon (la punta trapeziodale del corpo centrale rispetto Figura 68) ed è anch’esso sigillato tramite una guarnizione e dadi in ottone su filetto inox.
Figura 74 - Dettaglio navicella e blocco pistoni durante le fasi di assemblaggio
110 Figura 75 - Dettaglio corpo centrale SeaSpoon
Albero di rotazione
L’albero di rotazione, su cui sono montate le pale del SeaSpoon, è stato realizzato con uno speciale acciaio inox per applicazioni marine heavy duty codificato come “413 bonificato” piu’ resistente del 316 utilizzato per le altre parti del sistema, ed ha richiesto una particolare tornitura ad alta precisione per eliminare ogni difetto e imperfezione e garantire la massima efficacia.
111 Particolare cura è stata dedicata alla tenuta meccanica per la quale è stata scelto un prodotto Roten realizzato con dischi in carbografite e ceramica al fine di garantire la tenuta stagna del corpo centrale che contiene la meccanica e la sensoristica di controllo del movimento e del posizionamento del rotore.
Il diametro dell’albero è di 55 mm e la lunghezza complessiva di 2921 mm e ruota su cuscinetti a sfera 6311.
112 Figura 77 - Dettaglio albero di rotazione delle pale del SeaSpoon
113 Figura 78 - Dettaglio cuscinetto
114 Pale
Le due pale del SeaSpoon sono state costruite anch’esse in acciaio inox, con moduli a sezione circa triangolare per consentire il passaggio dell’asse di rotazione nella parte alta e vengono montate alle estremità dell’asse di rotazione principale. Le pale sono state rinforzate attraverso tre nervature interne.
Dal punto di vista del galleggiamento sono state progettate affinchè la coppia in acqua derivante dal peso delle pale e dalla spinta di Archimede fosse nulla, in modo da riuscire a sfruttare al massimo l’energia captata dal moto ondoso. Per renderle circa neutre è stato scelto di riempirle in parte con un materiale molto leggero ed idrorepellente (poliuretano espanso) ed in parte sono state lasciate vuote e destinate a riempirsi di acqua marina una volta in mare, che può fluire attraverso una serie di fori realizzati allo scopo.
Figura 80 - Dettaglio pala SeaSpoon
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