Gli investimenti da parte dei paesi della UE per lo sviluppo delle fonti rinnovabili, al fine di raggiungere gli obiettivi preposti (Protocollo di Kioto e Piano “20-20-20”), spingono a ricercare nuove tecnologie e a sviluppare quelle già esistenti. In questo ambito, la cogenerazione ricopre un ruolo fondamentale, ed in particolare, la micro-cogenerazione, anche in ambito domestico, presenta ancora ampi margini di sviluppo. Tra le diverse modalità di cogenerazione, i sistemi free-piston azionati da motori Stirling rappresentano una tra le sfide più importanti nell’ambito della ricerca. In tali sistemi l’energia termica, proveniente da una fonte di energia primaria (ad esempio di tipo rinnovabile), è convertita in energia meccanica attraverso un motore Stirling; successivamente un generatore lineare converte l’energia meccanica in elettrica; ed infine, un convertitore elettrico interfaccia il generatore con un carico o con la rete elettrica. L’utilizzo del generatore lineare, al posto dei tradizionali sistemi di conversione del moto da lineare ad alternato (sistema biella-manovella), consente di ottenere diversi benefici, tra cui: migliorare l’affidabilità del sistema, limitare il rumore e ridurre i costi. Infine, questo sistema, se ben progettato, permette di aumentare il rendimento dell’impianto di cogenerazione. In questo lavoro di tesi è stato progettato ed analizzato un generatore lineare da accoppiare direttamente ad un motore Stirling free-piston in un sistema di cogenerazione domestico. Dopo una prima fase di studio e ricerca bibliografica, è stato riscontrato che la scelta più conveniente dal punto di vista tecnico-economico, risulta essere quella di un generatore monofase tubolare a magneti permanenti. In particolare, i magneti sono a base di plasto-neodimio, mentre, per la realizzazione del circuito magnetico di statore, data la complessità geometrica, si sono considerati materiali magnetici compositi (SMC). Al fine di determinare le prestazioni del generatore, è stata sviluppata una metodologia di analisi, basata su analisi FEM, che permettesse lo studio ed il confronto di diverse tipologie di magnetizzazione, in particolare radiale e Halbach, e considerare diverse strategie di alimentazione. Tale metodologia (HFEA) sfrutta la rappresentazione delle armoniche spaziali di magnetizzazione attraverso un'elaborazione di tipo analitico che permette di riprodurre diverse funzioni di magnetizzazione dei magneti permanenti. In tal modo, è stato possibile ricostruire le principali grandezze di interesse (induzione e flusso concatenato) sovrapponendo l’effetto di ciascuna armonica ricavata attraverso l'analisi di Fourier. Inoltre, è stata sviluppata una procedura in grado di riprodurre gli effetti della saturazione magnetica del traslatore, generalmente non trascurabile in questo tipo di macchine. A questo proposito sono state introdotte opportune distribuzioni superficiali di corrente sul giogo del traslatore che riproducono l'effetto smagnetizzante dovuto alla saturazione. Dai valori dell’induzione al traferro, è possibile risalire al valore della forza esplicata dal generatore; mentre, dai valori dell’induzione, campionati in opportuni punti all’interno dei nuclei magnetici dello statore e del traslatore, è stato possibile stimare le perdite nel ferro e quindi il rendimento della macchina. Dal profilo del flusso concatenato è stato possibile stimare l’andamento della forza elettromotrice generata. I risultati hanno evidenziato un ottimo accordo con le corrispondenti analisi agli elementi finiti, con il vantaggio rispetto a queste di poter effettuare analisi parametriche che coinvolgono diverse grandezze progettuali con tempi di calcolo inferiori. Grazie a questa caratteristica, è stato possibile confrontare le prestazioni con varie tipologie di magnetizzazioni, strategie di alimentazione e caratteristiche di materiali SMC, effettuando una prima ottimizzazione del progetto della macchina. Dopo aver realizzato un prototipo sulla base delle indicazioni progettuali, è stata sviluppata una procedura sperimentale atta a determinare i parametri elettromagnetici del generatore, per verificarne la congruenza con le ipotesi progettuali e mettere a punto quindi i modelli per le analisi successive. Per determinare il profilo di magnetizzazione dei magneti sono state effettuate delle misure di induzione sulla superficie del materiale magnetico mediante l’uso di un Gaussmetro. Invece, per i materiali SCM che costituiscono lo statore della macchina, a partire da opportune elaborazioni sperimentali, è stato sviluppato un metodo di calcolo in grado di determinare le principali proprietà magnetiche (permeabilità, caratteristica BH e coefficienti delle perdite nel ferro per isteresi, correnti parassite ed eccesso). Dai risultati sperimentali si nota che le caratteristiche reali sono meno performanti rispetto a quelle fornite dai datasheet dei costruttori, molto probabilmente a causa dei processi di lavorazione e dei traferri spuri presenti tra i moduli di SMC. I valori delle grandezze magnetiche aggiornate sono stati utilizzati per stimare le reali condizioni di esercizio della macchina, in particolare per determinare il valore del rendimento, della tensione e della forza sviluppata dalla macchina. È poi stato sviluppato un modello semplificato che consente di riprodurre il comportamento dinamico del sistema di cogenerazione completo e di ricavare il profilo effettivo di velocità, la potenza erogata e il rendimento complessivo del sistema. Considerando l'interazione tra i singoli componenti, l'applicazione di questo modello risulta di estrema importanza per eseguire l’analisi e permette di mettere a punto la strategia di controllo del generatore agendo sul convertitore di interfacciamento con il carico.

Analysis and Design of a Linear Tubular Electric Machine for Free-piston Stirling Micro-cogeneration Systems

DALL'ORA, LUCA
2014

Abstract

Gli investimenti da parte dei paesi della UE per lo sviluppo delle fonti rinnovabili, al fine di raggiungere gli obiettivi preposti (Protocollo di Kioto e Piano “20-20-20”), spingono a ricercare nuove tecnologie e a sviluppare quelle già esistenti. In questo ambito, la cogenerazione ricopre un ruolo fondamentale, ed in particolare, la micro-cogenerazione, anche in ambito domestico, presenta ancora ampi margini di sviluppo. Tra le diverse modalità di cogenerazione, i sistemi free-piston azionati da motori Stirling rappresentano una tra le sfide più importanti nell’ambito della ricerca. In tali sistemi l’energia termica, proveniente da una fonte di energia primaria (ad esempio di tipo rinnovabile), è convertita in energia meccanica attraverso un motore Stirling; successivamente un generatore lineare converte l’energia meccanica in elettrica; ed infine, un convertitore elettrico interfaccia il generatore con un carico o con la rete elettrica. L’utilizzo del generatore lineare, al posto dei tradizionali sistemi di conversione del moto da lineare ad alternato (sistema biella-manovella), consente di ottenere diversi benefici, tra cui: migliorare l’affidabilità del sistema, limitare il rumore e ridurre i costi. Infine, questo sistema, se ben progettato, permette di aumentare il rendimento dell’impianto di cogenerazione. In questo lavoro di tesi è stato progettato ed analizzato un generatore lineare da accoppiare direttamente ad un motore Stirling free-piston in un sistema di cogenerazione domestico. Dopo una prima fase di studio e ricerca bibliografica, è stato riscontrato che la scelta più conveniente dal punto di vista tecnico-economico, risulta essere quella di un generatore monofase tubolare a magneti permanenti. In particolare, i magneti sono a base di plasto-neodimio, mentre, per la realizzazione del circuito magnetico di statore, data la complessità geometrica, si sono considerati materiali magnetici compositi (SMC). Al fine di determinare le prestazioni del generatore, è stata sviluppata una metodologia di analisi, basata su analisi FEM, che permettesse lo studio ed il confronto di diverse tipologie di magnetizzazione, in particolare radiale e Halbach, e considerare diverse strategie di alimentazione. Tale metodologia (HFEA) sfrutta la rappresentazione delle armoniche spaziali di magnetizzazione attraverso un'elaborazione di tipo analitico che permette di riprodurre diverse funzioni di magnetizzazione dei magneti permanenti. In tal modo, è stato possibile ricostruire le principali grandezze di interesse (induzione e flusso concatenato) sovrapponendo l’effetto di ciascuna armonica ricavata attraverso l'analisi di Fourier. Inoltre, è stata sviluppata una procedura in grado di riprodurre gli effetti della saturazione magnetica del traslatore, generalmente non trascurabile in questo tipo di macchine. A questo proposito sono state introdotte opportune distribuzioni superficiali di corrente sul giogo del traslatore che riproducono l'effetto smagnetizzante dovuto alla saturazione. Dai valori dell’induzione al traferro, è possibile risalire al valore della forza esplicata dal generatore; mentre, dai valori dell’induzione, campionati in opportuni punti all’interno dei nuclei magnetici dello statore e del traslatore, è stato possibile stimare le perdite nel ferro e quindi il rendimento della macchina. Dal profilo del flusso concatenato è stato possibile stimare l’andamento della forza elettromotrice generata. I risultati hanno evidenziato un ottimo accordo con le corrispondenti analisi agli elementi finiti, con il vantaggio rispetto a queste di poter effettuare analisi parametriche che coinvolgono diverse grandezze progettuali con tempi di calcolo inferiori. Grazie a questa caratteristica, è stato possibile confrontare le prestazioni con varie tipologie di magnetizzazioni, strategie di alimentazione e caratteristiche di materiali SMC, effettuando una prima ottimizzazione del progetto della macchina. Dopo aver realizzato un prototipo sulla base delle indicazioni progettuali, è stata sviluppata una procedura sperimentale atta a determinare i parametri elettromagnetici del generatore, per verificarne la congruenza con le ipotesi progettuali e mettere a punto quindi i modelli per le analisi successive. Per determinare il profilo di magnetizzazione dei magneti sono state effettuate delle misure di induzione sulla superficie del materiale magnetico mediante l’uso di un Gaussmetro. Invece, per i materiali SCM che costituiscono lo statore della macchina, a partire da opportune elaborazioni sperimentali, è stato sviluppato un metodo di calcolo in grado di determinare le principali proprietà magnetiche (permeabilità, caratteristica BH e coefficienti delle perdite nel ferro per isteresi, correnti parassite ed eccesso). Dai risultati sperimentali si nota che le caratteristiche reali sono meno performanti rispetto a quelle fornite dai datasheet dei costruttori, molto probabilmente a causa dei processi di lavorazione e dei traferri spuri presenti tra i moduli di SMC. I valori delle grandezze magnetiche aggiornate sono stati utilizzati per stimare le reali condizioni di esercizio della macchina, in particolare per determinare il valore del rendimento, della tensione e della forza sviluppata dalla macchina. È poi stato sviluppato un modello semplificato che consente di riprodurre il comportamento dinamico del sistema di cogenerazione completo e di ricavare il profilo effettivo di velocità, la potenza erogata e il rendimento complessivo del sistema. Considerando l'interazione tra i singoli componenti, l'applicazione di questo modello risulta di estrema importanza per eseguire l’analisi e permette di mettere a punto la strategia di controllo del generatore agendo sul convertitore di interfacciamento con il carico.
26-gen-2014
Inglese
Linear generator, Free-piston, Stirling engine, co-generation system, renewable energy, FEM, FEA, tubular, PM
ROSSETTO, LUISA
Università degli studi di Padova
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Il codice NBN di questa tesi è URN:NBN:IT:UNIPD-108607