Si riportano quindi nel seguito le principali campagne di prove con i relativi setup di sperimentali che per quanto riguardano la tecnologia dotata di Savonius, sono state affrontate con maggiore dettaglio in un’altra tesi di dottorato [53].
Prima attività sperimentale fra tutte è stata quella relativa il concept di SeaSpoon dotato di rotore Savonius. Il rotore del modello di SeaSpoon utilizzato durante le prove in vasca aveva una lunghezza di 38.5 cm ed un diametro di 3,5 cm, stabilito in base ai risultati della simulazione mediante modello Matlab: tali dimensioni dovrebbero essere il migliore compromesso tra la captazione di energia dalle onde e la possibilità di girare in fase con le stesse. Le pale del Savonius hanno un diametro di 1.75 cm e non presentano overlap, data la presenza dell’asse del rotore tra di esse. Le dimensioni sono ottimizzate per l’applicazione nella vasca ondogena descritta, e sono da considerarsi funzionale ad una scala 1:5 del prototipo in scala reale che verrà successivamente descritto. Gli effetti di bordo in un prototipo dalle dimensioni così ridotti sono significativamente più impattanti.
86 Figura 50 - Rotore Savonius del modello sperimentale
Figura 51 - Lastra costituente il cucchiaio (spoon) o pala del SeaSpoon
Figura 52 - Telaio di collegamento tra rotore e lastra
La lasta è costituita da una sottile lamiera di alluminio di forma rettangolare, fissata alle estremità (3 e 4 in Figura 52) ad un telaio che la rende solidale con l’asse di rotazione del rotore (1). Tale telaio, a sua volta, può ruotare attorno ad un asse centrale (2): in tal modo, sia la lastra che il rotore possono ruotare rigidamente attorno a tale asse centrale del telaio. L’obiettivo dello spoon è infatti garantire la rotazione, in fase con l’onda, del rotore, attorno all’asse principale in modo che esso si muova nel verso opposto a quello delle particelle d’acqua che lo investono: perciò, durante la cresta dell’onda, la lastra si trova al di sopra del rotore, rispetto all’asse principale, e viceversa durante la gola dell’onda (Figura 53).
87 Figura 53 - posizioni dello spoon durante la rotazione in fase con l’onda
Per potere stabilire quantitativamente quali siano le potenzialità del dispositivo e le sue capacità di conversione dell’energia del moto ondoso è necessario dotarlo di un generatore elettrico, o comunque di una presa di potenza, per misurarne le prestazioni al variare delle caratteristiche dei treni d’onda a cui vengono eseguite le prove. Per poter accoppiare l’asse del rotore con quello del generatore elettrico è stato utilizzato un sistema a cinghia e ruote dentate: l’obiettivo è quello di realizzare una moltiplicazione della velocità di rotazione del rotore Savonius per innalzare la velocità angolare dell’albero del generatore e consentire il funzionamento del micromotore. Inoltre, dato che l’intero dispositivo, per poter funzionare, deve operare completamente immerso in acqua, la trasmissione a cinghia consente l’installazione del generatore elettrico al di sopra della superficie, riducendo così le difficoltà tecniche e le problematiche operative. Inizialmente il sistema è stato pensato per funzionare con quattro ruote dentate e un’unica cinghia che realizzasse la moltiplicazione del numero di giri; in realtà, per problemi essenzialmente costruttivi, si è optato per dividere la trasmissione in due parti utilizzando due cinghie e quindi sei ruote dentate.
Quest’ultima soluzione ha il pregio di permettere la riduzione della tensione nelle cinghie rispetto al caso con cinghia unica ma comporta anche una maggiore inerzia del sistema di trasmissione e maggiori perdite per attrito aumentando ulteriormente la coppia resistente che si oppone alla rotazione del rotore, la quale diventa di conseguenza più difficoltosa.
88 Con riferimento alle Figura 54 e Figura 55, una prima ruota dentata (1) è fissata, esternamente al supporto angolato, all’albero del rotore e pertanto gira alla sua stessa velocità mentre ingrana con un'altra ruota (2), più piccola, posizionata sull’asse principale ma libera di ruotare attorno ad esso. Questa ruota è solidale ad una terza ruota dentata (3) più grande posizionata su un manicotto che, fissato su due cuscinetti a sfera, può ruotare attorno all’asse principale.
Figura 54 - Le due ruote dentate solidali che ingranano con la ruota fissata al rotore
Il moto rotatorio della ruota più grande è trasmesso tramite la prima cinghia alla quarta ruota, di raggio inferiore realizzando così la prima parte di moltiplicazione. Una quinta ruota, di diametro maggiore e pari a quello della terza, riceve il moto dalla quarta, essendo calettata sull’albero del motore elettrico. Le cinghie, che presentano una più elevata efficienza di trasmissione rispetto, ad esempio, alle catene, risultano parzialmente immerse in acqua e soggette all’azione del moto ondoso durante le prove nel canale ondogeno, pertanto per ridurre gli sforzi a cui sono sottoposte sarebbe conveniente proteggere l’intero sistema di trasmissione con un involucro in materia plastica, soluzione indispensabile nel caso di funzionamento in mare, anche per evitare che corpi estranei entrino in contatto e danneggino il sistema.
89 Figura 55 - Moltiplicazione del numero di giri del rotore con trasmissione a due cinghie
La prima fase delle prove sperimentali è stata volta alla ricerca della configurazione ottimale che permetta al SeaSpoon una perfetta rotazione in fase con le onde. Per ottenere questo risultato è stato necessario procedere al corretto bilanciamento del dispositivo tenendo debitamente in conto che esso opera in acqua e non in aria, e quindi la resistenza idrodinamica opposta al moto è nettamente superiore. Proprio per questo motivo è stato riscontrato che il bilanciamento, eseguito in aria, ottenuto facendo corrispondere, per quanto possibile, il baricentro del dispositivo con l’asse di rotazione principale è risultato completamente inadeguato non permettendo la corretta rotazione del SeaSpoon: le prove in acqua hanno infatti evidenziato come lo spoon, partendo fermo dalla posizione verticale in alto, dopo essere stato messo in rotazione dalle particelle d’acqua, subisse un brusco arresto una volta raggiunta la posizione orizzontale, ovvero dopo una rotazione di circa 90°.
Da questa analisi è scaturita l’idea di sbilanciare fortemente il dispositivo nella direzione della lastra in modo tale che il momento generato dal peso del bilanciatore si opponesse al momento dovuto alla resistenza idrodinamica, durante la rotazione dello spoon dalla posizione verticale in alto, assunta durante la cresta dell’onda, a quella verticale in basso, assunta durante la valle dell’onda (Figura 56). D’altra parte, durante la fase di rotazione dal basso verso l’alto la presenza di un peso aggiuntivo sbilanciato comporta una maggiore difficoltà di rotazione: il sistema, però, può ora contare sull’energia cinetica posseduta oltre che sull’azione dell’onda, sul momento dovuto al peso del rotore e sul fatto che, nella prima parte della salita della lastra, il peso dei bilanciatori determina un momento favorevole in virtù dell’angolo che essi presentano rispetto allo spoon. Il sistema di bilanciamento è realizzato con due sottili barre filettate lunghe circa 20 cm e avvitate in appositi fori ricavati
90 sui due supporti angolati: ogni barra è piegata ad angolo retto nel suo punto medio determinando due segmenti da 10 cm l’uno; la parte di barra avvitata forma un angolo di circa 100° rispetto al piano della lastra. Sulla seconda parte di ognuna delle due barre, precisamente a tre quarti di essa, ovvero a 7.5 cm dall’angolo retto, sono serrati 5 dadi da 5 g l’uno i quali costituiscono il contrappeso desiderato: questa soluzione risulta particolarmente pratica e veloce per riposizionare o variare il peso dei bilanciatori.
Figura 56 - Sistema di bilanciamento del modello sperimentale
Le prime prove sono state condotte utilizzando la configurazione di bilanciamento iniziale, costituita da due contrappesi disposti in direzione quasi perpendicolare alla lastra: in questo modo il dispositivo non è stato in grado di ruotare, oscillando, al passaggio dell’onda, attorno ad una posizione di equilibrio con lastra sostanzialmente orizzontale.
Grazie alla configurazione con il nuovo sistema di bilanciamento, invece, il SeaSpoon ha dimostrato di riuscire a girare in fase con le onde, facendo registrare un massimo di 38 giri in 38 onde consecutive, e riuscendo a recuperare autonomamente la fase nei casi in cui essa andasse persa, ad esempio a causa di sequenze di onde non tutte regolari, per i problemi legati al sistema ondogeno precedentemente esposti.
Ciò che è stato riscontrato, anche grazie all’ausilio di varie riprese video analizzate al rallentatore tramite il software Kinovea, è che durante la perfetta rotazione in fase del dispositivo attorno all’asse principale, il rotore risultava fermo, anche quando non erano connesse le due cinghie del sistema di trasmissione. Inizialmente la causa di questo fatto è stata attribuita solamente alle eccesive ridotte dimensioni del rotore: i risultati ottenuti alla simulazione numerica hanno infatti portato al dimensionamento ottimale del rotore per garantire la rotazione in fase, difatti ottenuta, ma ne è risultato un rotore con pale troppo
91 piccole per poter essere posto in rotazione. Per migliorare la situazione, è stata apportata una modifica alle pale in modo da aumentarne la concavità, e quindi la differenza in termini di coefficiente di drag tra parte concava e convessa, oltre che aumentare, seppur leggermente, la sezione in grado di incanalare l’acqua nella pala. Gli spazi geometrici concessi alle modifiche migliorative erano limitati dalle dimensioni costruttive delle varie parti che compongono il dispositivo, in particolare dalla fissata distanza (3 cm) tra l’asse del rotore e l’asse principale, a causa della quale risulta imposto un valore massimo per l’aumento delle dimensioni delle pale per evitare di creare problemi di interferenza durante la rotazione del Savonius su se stesso: il bordo di ciascuna pala è stato prolungato mediante due strisce da 1.4 cm di alluminio di spessore circa 1 mm, adeguato a garantire una opportuna rigidità. In questa configurazione la distanza tra il nuovo bordo della pala e l’asse del Savonius è salita a 2.2 cm rispetto ai precedenti 1,75 cm, avendo conferito un piccolo angolo (≈18°) tra la striscia di bordo aggiuntivo e la superficie semicilindrica della pala originale. Con le modifiche apportate il Savonius è stato messo in condizioni di ruotare sotto l’azione del moto ondoso.
Questa campagna sperimentale ha tuttavia mostrato la difficoltà nel riuscire ad accordare la geometria del SeaSpoon al campo di moto ondoso: inoltre, si è anche verificato che la presenza di coppie resistenti eccessive o non previste (esempio: attriti) possa influire negativamente sulla prestazione del dispositivo, impedendone la rotazione in fase con l’onda. D’altro canto, sempre in base alle evidenze sperimentali, si è osservato come gli attriti, anche dovuti alle serie di ruote e cinghie, erano superiori alla coppia disponibile all’albero del rotore Savonius: in pratica, non è stato sperimentalmente possibile misurare l’energia prodotta dal microgeneratore elettrica, in quanto essa veniva completamente dissipata dall’attrito della trasmissione.
A valle di questa prima campagna di prove sul modello dotato di Savonius, è stata programmata una seconda attività sul modello di SeaSpoon denominato “solo paletta”, al fine di verificarne i vantaggi. Sono state quindi effettuate alcune prove in vasca per validare le ipotesi fatte riguardo l’utilizzo della nuova configurazione. Tali prove hanno evidenziato la migliore capacità di vincere le forze di attrito e la semplicità nel recuperare la fase delle onde. Lo spoon utilizzato presenta invece una lunghezza fissata di 8 cm, pertanto le condizioni di rotazione in fase si sono raggiunte solo per onde caratterizzate da raggi dei moti orbitali comparabili o superiori, come evidenziato dai risultati riportati in tabella, infatti in caso contrario, con lunghezze dello spoon significativamente superiori a quelle del raggio dei moti orbitali, esso risentirebbe dell’azione di particelle con velocità orbitali differenti, sfasate di 90 gradi, e difficilmente ruoterebbe in fase. Le prove sono state condotte con un livello d’acqua nel canale pari a 90 cm mentre il dispositivo, in particolare il suo asse di rotazione, è stato posizionato ad un’altezza di 83 cm dal fondo, cioè 7 cm sotto la superficie per garantire che si trovasse sempre in condizioni di completa immersione anche durante la valle dell’onda. Noti H e T per ogni onda, è possibile determinare lunghezza e numero d’onda, da cui si possono calcolare i raggi delle orbite: in
92 particolare essi sono calcolati in corrispondenza della superficie, z=0, ed in corrispondenza del punto medio della lastra, posto a circa 5 cm dalla superficie, z=-0.05 cm.
Tabella 7 - Comportamento durante le prove in vasca in funzione del raggio dei moti orbitali (Seaspoon: verso la nuova energia del mare 2, Relazione Tecnica - OR2 2014)