= ⁄ ⁄ ∙ ∙ ⁄ = ∙ ∙ ∙ =
non è stato effettuato un test a fatica per il dispositivo di prova mentre per quanto riguarda i costi iniziali sono stati sostenuti i costi seguenti:
- Lamina singola 50 mm con area ceramica 23 mm : 0,40€; - Ponte di Graetz al silicio : 0,30€;
- Condensatore 330 F 25 volts: 0,50€; - Supporto plastico: 3€;
- Supporto elettronico (scheda): 1,00€; COSTO complessivo dispositivo di prova:
= ∙ =
Il costo complessivo di un impianto al lordo della cavetteria e degli inverter è stimato in :
= ∙ = senza ottimizzazione elettronica ;
ipotizzando un costo di 4€ per ogni dispositivo per l’ottimizzazione avremo un costo complessivo pari a:
= ∙ ∙ = con ottimizzazione elettronica ;
Considerando un produzione media di energia per un attività civile media di 10 ore al giorno avremo una produzione energetica giornaliera pari a :
bias-flip 5,5: ∙
∙ =
0,03 €/gg;
bias-flip 12,5: ∙ ∙ =
0,23 €/gg;
Considerando un produzione media di energia per un attività civile media di 16 ore al giorno avremo una produzione energetica giornaliera pari a :
42 bias-flip 5,5:
∙ =
35,04 €/gg;
bias-flip 12,5:
∙ =
135,05 €/gg;
il recupero complessivo annuo sarà dato nei due casi dai da : bias-flip 5,5:
∙ =
10,95 €/gg;
bias-flip 12,5:
∙ =
83,95 €/gg;
considerando l’indirizzo polifunzionale e stimando il costo dei sensori per un sistema antiincendio ed antifurto integrato è stimabile sottraendo una quota dei costi pari a 2500€ ed un costo di installazione pari a 900€ avremo un recupero della somma spesa per il sistema di prova per un attività sportiva pari a :
bias-flip 12,5:
⁄
=;
consideriamo un incentivo statale per le ristrutturazioni del 60% sul costo iniziale ed otterremo il seguente saldo: bias-flip 12,5:
⁄
=;
considerando fruttiferi i capitali accantonati andremo a sottrarre un ulteriore quantitativo:
supposto un saggio di interesse del 1,8% con = = otterremo per un accumulazione finale in un ciclo di 6 anni il seguente valore del capitale annuo:
=
⁄
⁄
Sapendo che il mutuo da ammortizzare sarà dato da con un saggio pari a r=0,018 e la rata pari a R=135,05€ con un saggio pari a r=0,018 ricaveremo con un ammortamento in 10 anni valuteremo un saggio di riferimento rrif::
=
⁄
⁄
Avremo un valore di rrif pari a;
⁄
=
=
raddoppiando la ceramica utilizzata con sistema dual-layer ed un collegamento in serie sulla singola lamina avremo un incremento del costo stimato di circa 200€ ma un risparmio annuo doppio pari a 270,1€.
Ripetendo il calcolo otterremo i seguenti valori:
43 bias-flip 12,5:
⁄
=;
=
⁄
⁄
=
confrontando il tasso di partenza con il tasso di riferimento avremo un investimento positivo e dunque consigliabile. Dobbiamo considerare il fatto che la durata del mutuo sarà dimezzata passando da 10 anni con un tasso pari 3,5% ad un mutuo di 5 anni con un tasso pari al 5%. È valutabile una soluzione compresa quindi tra 5 e 10 anni per ammortizzare l’investimento.
È ragionevole pensare ad un ulteriore miglioramento con l’implementazione di sistemi con ceramiche aventi aree superiori, per ottenere un energia in accumulo superiore e rendere più appetibile un investimento del genere. Avremo così un costo iniziale superiore, ma di contro una produzione energetica superiore tenendo a mente un costo suppletivo legato solo alla ceramica PZT. È ipotizzabile un rapporto costi benefici a favore per l’investimento suddetto. Dobbiamo poi considerare la possibile applicazione con ceramiche più performanti o con materiali MEMS di nuova concezione quali il Grafene.
Non sono stati valutati i costi per un sistema ottimizzato DC/DC converter BUCK-BOOST e con lamine di 100 mm di diametro e l’implementazione con un numero di ponti di Graetz per ogni singola lamina nonché i costi di manutenzione ed installazione dei dispositivi.
Facciamo notare la possibilità di utilizzare i dispositivi nell’ambito della sicurezza per : - Sistemi antintrusione;
- Sistemi per la climatizzazione;
- Sistemi per la riduzione e controllo impatto acustico;
i costi quindi ammortizzeranno una molteplicità di funzione implementando una circuitazione ad hoc addizionale a quella atta al risparmio energetico.
44
Applicazioni generali caso studio.
I dispositivi ed i sistemi che andremo ad individuare sono generalmente : - Ancoraggi e vincoli cedevoli;
saranno previsti seguendo il dimensionamento in multilayer e con disposizione simmetrica e verranno impostati su strutture tipicamente soggette a sollecitazioni assiali quali:
- Tensostrutture; - Stralli;
- Controventi per Facciate in vetro strutturale; - Controventi con tiranti;
- Strutture reticolari;
- Supporti per pavimentazioni; - Piani rigidi su vincoli cedevoli;
Vediamo alcuni schemi tipici per i quali andremo ad applicare tali soluzioni:
Sopra: schema strutturale per appoggio cedevole su piano rigido.
I dispositivi saranno applicati in caso di infrastrutture di media e grande dimensione sia in supporto od in luogo dei sistemi di ancoraggio tradizionali solvendo la funzionalità meccanica ed elettrica con possibilità di:
- Monitoraggio azioni termo-meccaniche;
- Recupero energia derivante dal lavoro di deformazione sul dispositivo stesso tramesso dall’elemento strutturale;
45 Sopra: render per catena su arco a sesto ribassato.
46 Sopra : schema strutturale per catena su capriate e per strutture reticolari.
47 Progetteremo adesso per analogie elettromeccaniche dispositivi con un efficacia potenziale implementabile tramite un’ elettronica di potenza adeguata e compatta in dispositivi Wireless. questo vasto ambiente applicativo è possibile in base alla potenziale scalabilità dimensionale del sistema il quale può essere applicato sia al tacco di una scarpa sia ad installazioni di grandi dimensioni. Daremo adesso gli schemi architettonici delle applicazioni suddette dapprima mostrando il prototipo tipologico , gli schemi statici di riferimento ed in seguito gli esempi nelle sezioni successive delle potenziali applicazioni. L’elemento di base è costituito da un numero finito di dischi impostati concentricamente su un puntone/tirante di dimensione indefinita
come segue:
nel particolare a destra possiamo notare in giallo le lamine piezo metalliche multi layer accoppiate a delle molle cedevole di rigidità K schematizzate come vincoli cedevoli.
Le parti in verde ed in rosso sono invece i rivestimenti degli ancoraggi meccanici su cuscinetti a sfera, mentre il dispositivo in rosso avrà funzione da capocorda per un tirante la parte in verde sarà l’appoggio cedevole per gli elementi rigidi di facciata.
Gli elementi che non possano essere dimensionati con lamine di grande diametro, possono in alternativa ovviare al problema prevedendo dei sistemi di ancoraggio equivalenti composti da un numero n finito di dispositivi come possiamo vedere nella grafica sottostante:
48 Il vincolo qui riprodotto è determinato da una serie sovrapposta e limitata di lamine contenute come già accennato da due molle di rigidità K e con un passo p tra le spire che per le ipotesi di vincolo cedevole e di congruenza tra le deformazioni vincolate alla normativa vigente siano tali da ottemperare alle tolleranza delle frecce totali. In particolare onde si voglia evitare una deformazione non compatibile con la schematizzazione per un vincolo cedevole lineare conterremo le medesime molle in due anelli metallici come vedremo in figura( Carrello cedevole ):
49 calcolo delle tensioni dissipate dalle singole lamine ridotte dalla somma delle singole molle pari indicando un fine corsa delle molle meccaniche compatibili con la normativa vigente per le deformazioni ammesse.
Ipotizzeremo una luce tra le spire massima pari alla freccia massima che l’elemento strutturale deformato potrà sostenere per mantenere salve le verifiche date dalla normativa vigente per gli elementi strutturali ( NTC 2008)(6).
La resistenza meccanica complessiva sarà definita dunque dalla somma delle molle lineari e dalle lamine come segue :
=
=
50 Le soluzioni saranno qui riportate con enfasi per le applicazioni infrastrutturali pur essendo queste applicabili per soluzioni in Wireless in dispositivi di segnale e di potenza in vari ambiti. Si vedano gli schemi statici per una soluzione con croce di Sant’Andrea(10) per una facciata strutturale di un complesso edilizio con sviluppo in elevazione:
Di fianco possiamo notare in rosso i dispositivi di ancoraggio/Harvester applicati ad ulteriori dispositivi ortogonali a cui verranno applicati i rivestimenti di facciata in verde.
Gli elementi lineari in grassetto saranno le aste della travatura reticolare mentre i cavi dei tiranti sono grafitati con linee sottili.
Vediamo nella figura sottostante la soluzione architettonica nel dettaglio e nella soluzione complessiva.
51 Come si può notare nella grafica abbiamo installazioni polifunzionali con un impatto visivo poco invasivo utilizzando le componenti meccaniche sia da un punto di vista strutturale che da quello energetico.
Nelle sezioni successive visioneremo l’insieme delle proposte riguardanti questa tecnica costruttiva come le criticità. La prima caratteristica in evidenza è data dalla leggerezza e compattezza del dispositivo mentre per le criticità bisogna far notare la limitatezza dimensionale dei diametri utili per la disposizione della singola stringa. In alternativa a questa problema vi è la possibilità di costruire stringhe di lamine multiple, le quali possano avere un area equivalente a quella di una lamina circolare di grandissime dimensioni.
Per la dissipazione dell’energia fornita dal moto dei mezzi in galleria è considerata conformemente agli spazi ridotti griglie con orientamento verticale (18)come può essere verificato nello schema sintetico seguente:
52 Sopra: sezione trasversale per griglia piezo-induttiva montata in galleria .
La diposizione dei cavi pretesi segue la curvatura secondo una spezzata connessa all’arcata stessa con dispositivi già descritti nelle applicazioni precedenti. Il parametro di riferimento sarà dato dalla lunghezza dei cavi per i quali dovranno valutarsi le pretensioni per ottenere le frequenze desiderate e le frecce durante la vibrazione volute.
53 Sopra: spaccato prospettico (soluzione 1).
54 Sopra: spaccato prospettico trasversale(soluzione 1).
Le applicazioni nel settore navale sono relative alla dissipazione dell’energia cinetica dei marosi e del battente variabile in fase di navigazione come possiamo verificare nel caso seguente:
55 = =
con :
spinta idrostatica;
avendo a mente che la variazione d’altezza d’onda è direttamente proporzionale alla variazione del battente sulla chiglia della nave avremo che:
=
lo stesso potremmo affermarlo nel caso della componente dinamica della spinta pari a: = = = con : : quantità di moto; densità; velocità; portata;
in questo caso di aspetteremo una variazione della parte dinamica proporzionale all’area di impatto dell’onda e quindi variabile anch’essa linearmente:
= (
) il risultato finale come somma delle due componenti sarà allora dato da:
= = ( ) = = [( ) ] con: spinta idrodinamica;
in particolare le componenti che verranno soggette a tale applicazione saranno tutte quelle soggette a vibrazioni in termini di sollecitazioni variabili nel tempo e con modalità impulsiva quali:
56 - Turbine;
- Abbacinamenti; - Sezioni di prua; - Alberi con vele; - Ancoraggi di motori;
questo metodo può essere applicato sia per mezzi navali sia per installazioni di impianti su palafitte o su galleggianti o per sistemi di protezione delle coste.
L’
applicazione sfruttante la spinta idrodinamica e le potenze potenziali e cinetiche in un mare:= potenza elementare = = = ∫ = ∫ ( ⁄ ⁄ ) = ( ⁄ ) ∫ ⁄ = ( ⁄ ) potenza potenziale = ⁄ potenza cinetica
Di questa potenza partendo dalle posizioni di partenza possiamo recuperare una frazione data dall’energia trasferita sugli abbacinamenti e battenti di :
- pontili galleggianti; - piloni banchine;
- barriere per la dissipazione dei marosi; nella forma generale seguente:
= ( ⁄ ) potenza potenziale = ⁄ potenza cinetica
Con:
57 Negli esempi seguenti riporteremo alcune applicazioni potenziali in schemi strutturali e in rese applicative con sistemi a battente ad arco cedevole e con serbatoi in pressione sollecitati meccanicamente dalla potenza dei moti marini.
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