Ingegneria, Tecnologie, Robotica, Meccatronica, Energia e Cenni di scienze

23 marzo 2011

Valvole rotanti Bishop – Brevi cenni fluidodinamici

Rubrica: Curiosità tecnica da corsa
Titolo o argomento: Brevi cenni inerenti la fluidodinamica delle valvole rotative Bishop

Nelle valvole rotanti la lunghezza della finestra determina la velocità di apertura e chiusura delle stesse, nonché l’intervallo di completa apertura. Le velocità di apertura e chiusura delle valvole dei moderni motori di F1 sono molto alte e possono essere confrontate sono con quelle ottenibili dalle valvole rotanti. Queste hanno una lunghezza della finestra d’ammissione pari ad oltre il 77% del diametro (alesaggio) del cilindro.

valvola rotativa bishop

Le valvole rotanti hanno il condotto dell’aria assiale e quindi parallelo alla finestra d’ammissione e perpendicolare all’asse del cilindro. Questo porta erroneamente a pensare che un motore dotato di valvole rotanti non possa “respirare” bene come un motore dotato di normali valvole a fungo. In realtà gran parte dell’aria passa obliquamente attraverso la finestra d’ammissione. Ciò è ben illustrato nell’ultima immagine in basso. Il flusso d’aria è ruotato di circa 35° prima che passi attraverso la finestra d’ammissione. Subito dopo la sua rotazione è di circa 80°. La completa rotazione del flusso, affinchè esso diventi parallelo all’asse del cilindro (rotazione di 90°), avviene nel cilindro stesso.

trasparenza delle valvole rotative bishop

Il flusso obliquo è un fattore a svantaggio del coefficiente d’efflusso delle valvole, tuttavia a tale svantaggio si contrappone il vantaggio dell’assenza di una valvola a fungo e quindi il vantaggio di un passaggio per l’aria completamente libero. Questi due fattori tendono a compensarsi. Mentre il coefficiente d’efflusso* (strettamente legato all’area della finestra della valvola in camera di combustione) delle valvole di una volta era di solo 0.54 (a valvola completamente aperta), l’evoluzione tecnica ha permesso di migliorarlo fino a 0.72 sugli attuali motori di F1. E’ inoltre importante notare che il flusso obliquo genera, una volta raggiunto il cilindro, un moto turbolento in grado di favorire una miscelazione aria/carburante ottimale ed una conseguente migliore combustione.

Il flusso turbolento viene generato grazie alla geometria delle valvole rotanti Bishop senza alcuna perdita di rendimento volumetrico al contrario dei motori con normali valvole a fungo. Inoltre è stato osservato che tale flusso favorisce una più rapida combustione. Un motore di serie dei primi anni ’90 aveva una durata dell’accensione (intesa come rotazione dell’albero motore) di circa 15°, successivamente i migliori motori a quattro valvole per cilindro ridussero questi tempi a meno della metà. Un motore ad elevate prestazioni con valvole rotanti Bishop abbassa ulteriormente questi limiti.

*Coefficiente di efflusso: il rapporto tra la portata reale di fluido che attraversa la valvola e a quella che in condizioni ideali attraverserebbe nelle stesse condizioni l’area di riferimento.

bishop rotary valve - valvole rotative bishop

CFD (computational fluid dynamics) del flusso d’aria che
attraversa la finestra della valvola diventando turbolento.

Link correlati

Valvole rotanti Bishop per motori V10 di F1
Valvole rotanti Bishop – Problematiche tecniche
Valvole rotanti Bishop – Brevi cenni fluidodinamici
Aggiornamenti in preparazione

22 marzo 2011

Metodologia TRIZ – Teoria per la soluzione dei problemi inventivi

Rubrica: Che cos’è?

Titolo o argomento: Per inventare ci vuole “metodo”

Trattasi di un metodo che allo stesso tempo è sia euristico, ovvero un metodo basato sull’intuito e sulle circostanze, sia costituito da un insieme di strumenti ben precisi. Genrich Saulovich Altshuller (Russia 1926-1998) sviluppò tale metodo con l’obiettivo di catturare il processo creativo tecnico e tecnologico, codificarlo e renderlo così ripetibile e applicabile: una vera e propria teoria da applicare al genio creativo dedito ad inventare.

Si tratta di una metodologia per sviluppare in modo razionale nuovi sistemi tecnologici. Essa si basa sul concetto che l’innovazione tecnologica non è casuale ma è governata da leggi certe e ripetitive. Conoscere queste leggi permette di anticipare, con un alto grado di probabilità, l’evoluzione e l’innovazione di un prodotto o di un processo di qualsiasi sistema tecnologico.

Tramite la metodologia TRIZ si può ricondurre un problema tecnico specifico ad un modello generale i cui processi logici di risoluzione siano inglobati in un numero determinato di principi risolutivi. Si possono così applicare soluzioni analoghe a problemi tecnici che solo all’apparenza sono diversi. Pertanto gli strumenti della metodologia triz sono stati studiati per analizzare un sistema tecnico ed estrarne un modello al quale applicare i principi risolutivi più efficaci tra quelli più idonei.

Altro aspetto fondamentale della metodologia TRIZ è la contraddizione. Le contraddizioni che vincolano lo sviluppo di una tecnologia vanno superate evitando così compromessi ed ottenendo reali soluzioni all’avanguardia. Inoltre la funzionalità di un sistema può rimanere la medesima nel tempo ma ciò che consente al sistema di funzionare può tendere a mutare. Semplificando, un tipico esempio è rappresentato dalla produzione di energia della quale l’uomo, nel tempo, ha costantemente bisogno per i medesimi motivi ma che può essere ricavata da differenti sorgenti in base a questioni di reperibilità, rinnovabilità, distribuzione, sicurezza, costi, ecc…

L’esperienza ha dimostrato che le invenzioni di maggiore interesse e utilità sono scaturite da situazioni in cui sono stati evitati compromessi solitamente accettati. Il superamento delle contraddizioni (spesso tollerate per giungere ad un compromesso) porta alle soluzioni più innovative ed efficaci. In assenza di contraddizioni non vi è quindi una situazione da sottoporre alla metodologia TRIZ.

Presso le librerie più fornite puoi trovare interessanti testi sulla Metodologia TRIZ

20 marzo 2011

Tecnologia “avanzata”

Rubrica: Imprenditoria attiva
Titolo o argomento: I rifiuti hanno un valore? Conviene davvero buttarli? -2-

I più attenti di voi all’ambiente si ricorderanno l’articolo che intitolai “Quando i rifiuti si trasformano in denaro“. Ebbene la logica esposta in quell’articolo non solo si avvicina ma si accosta benissimo ad una interessante, evoluta ed assai rara realtà come quella del Centro Riciclo di Vedelago (Treviso).

Si tratta di un impianto che si occupa di trattare e quindi recuperare e riciclare i rifiuti (non umidi) provenienti dalla raccolta differenziata dei comuni e delle aziende. I rifiuti in arrivo all’impianto vengono smistati a seconda che siano rapidamente riutilizzabili oppure che necessitino di un processo di riciclo per essere nuovamente disponibili come materia prima “seconda”.

Al di là dei meccanismi di funzionamento dell’impianto di cui potete trovare informazioni sul sito ufficiale (www.centroriciclo.com), è interessante osservare che tale impianto è il frutto di un investimento pari a circa 6 milioni di Euro. Inoltre il costo di raccolta è pari a “zero”. Ora, se non fosse possibile trasformare i rifiuti i denaro, chi sarebbe così folle da investire cifre simili senza un ritorno? Ne viene da sé che quanto gettiamo ogni giorno ha un gran valore.

Molto spesso non ci si rende conto che buona parte del prezzo dei prodotti che acquistiamo giornalmente è costituito dai costi d’imballo che noi puntualmente gettiamo come se questo non avesse valore alcuno. Impianti come quello di Vedelago permettono di annullare simili sprechi. Ora si tratta solo di “educare il cittadino” e di “premiarlo” per comportamenti ecologici migliori che offrano le giuste ripercussioni in bolletta.

Tra i prodotti che è possibile realizzare con i rifiuti (non umidi) che produciamo giornalmente e che sono provenienti dalla raccolta differenziata: prodotti per l’arredo, prodotti per l’edilizia, prodotti di uso urbano.

riciclare

Visita il sito: www.centroriciclo.com

8 marzo 2011

Iniezione elettronica diretta D.I.C.C. per motori 2 tempi

Rubrica: Tecnologia 2 tempi

Titolo o argomento: Iniezione elettronica diretta D.I.C.C.

E’ fuori discussione il fatto che il motore due tempi vanti molteplici aspetti positivi rispetto ad un motore quattro tempi. Il 2T infatti è molto più leggero, performante, semplice, di facile manutenzione, economico, vibra poco e, anche se nel motomondiale l’hanno pensata diversamente, rimane il motore più adatto al mondo delle due ruote “estreme”.

Nonostante tutto ci sono degli svantaggi… il due tempi infatti ha un rendimento complessivo di qualche punto percentuale più basso di un motore 4T e, aspetto cruciale, inquina molto più di un 4T. E’ infatti noto che buona parte della miscela (aria benzina olio) che entra in camera di scoppio, “fa una passeggiata sul cielo del pistone” e viene direttamente espulsa allo scarico senza nemmeno essere bruciata. Gli idrocarburi incombusti (HC) rappresentano il problema endemico dei motori 2T. Inoltre l’olio lubrifcante viene consumato in dosi massicce (essendo rinnovato ad ogni ciclo e prendendo parte alla combustione) per proteggere debitamente il motore. Esso quindi non si muove in un circuito chiuso come nel 4T e non viene pertanto riutilizzato più volte.

Il professor Enrico Nino dell’Università degli studi della Basilicata ha studiato e brevettato un sistema di iniezione elettronica diretta per motori due tempi davvero interessante. Il sistema è denominato D.I.C.C. ovvero Direct Injection Combustion Control. Il suo scopo principale è quello di ridurre notevolmente i consumi di carburante, i consumi di lubrificante e quindi le emissioni inquinanti di un motore 2 tempi senza rinunciare ai suoi vantaggi costruttivi.

Il sistema si propone di:

Introdurre nel cilindro tutto e solo il combustibile necessario al funzionamento del motore. La fase di lavaggio avviene solo con aria e non più con la miscela infiammabile. L’introduzione del combustibile ha luogo al termine della fase di lavaggio.
Determinare condizioni di funzionamento regolari in presenza di miscele magre (eccesso di ossigeno) realizzando situazioni di carica stratificata all’interno della camera di combustione e in tutte le condizioni di carico del motore.
Escludere dalla combustione la maggior parte dell’olio lubrificante.
Realizzare gli obiettivi con un sistema semplice ed economicamente vantaggioso in termini di industrializzazione mediante l’uso di componenti reperibili sul mercato e non espressamente concepiti.

L’interessante brevetto del “professor Enrico Nino” non è rimasto nel cassetto ma è stato ceduto ad “Athena spa” la quale ha provveduto con professionalità a realizzare un kit di trasformazione (composto da componenti meccaniche ed elettroniche) per convertire un normale ed inquinante propulsore 2T in un due tempi ad iniezione elettronica diretta.

I risultati sono stati sorprendenti: a parità di prestazioni il sistema D.I.C.C. offre fino al 50% in meno di consumi di carburante, fino al 60% in meno di consumi di olio e fino al 65% in meno di emissioni inquinanti di HC+Nox. Vedi inoltre la tabella sotto.

tabella dati iniezione diretta elettronica dicc

Il kit Athena prevede i seguenti componenti: Gruppo termico, iniettore, pompa benzina, ECU, ed ogni altro componente necessario a completare il kit che può essere installato sia su mezzi dotati di batteria, sia sui mezzi che ne sono sprovvisti.

La semplicità costruttiva del motore due tempi il quale è privo di organi di distribuzione si traduce in un elevato rendimento organico, elevate potenze specifiche ed un ottimo rapporto peso/potenza. Il tutto, sommato al sistema D.I.C.C. si traduce anche in un notevole abbattimento degli inquinanti. Questa soluzione permette quindi a tutti coloro che possiedono un mezzo due tempi di poter rispettare le normative anti-inquinamento e poter girare nuovamente nei centri urbani (ma non solo) inquinando pochissimo e con spese di carburante impercettibili. Prima di cambiare mezzo, hai pensato alle potenzialità in termini di vantaggi tecnici ed economici di un simile dispositivo?

Si ringrazia il Professor Enrico Nino per la sua disponibilità e cordialità e la Athena spa per il materiale tecnico fornito, la loro professionalità e l’estrema rapidità con la quale hanno contribuito alla realizzazione di questo articolo.

25 febbraio 2011

Le nuove frontiere del fotovoltaico

Rubrica: Impianti fotovoltaici

Titolo o argomento: Dai pannelli fotovoltaici in plastica alle lacche fotovoltaiche

Se da un lato cresce l’esigenza di migliorare il rendimento dei pannelli in modo tale che possano convertire in energia elettrica quanta più energia solare assorbita (vedi il nostro articolo: P.E.T.E. Photon Enhanced Thermionic Emission), dall’altro anche l’occhio vuole la sua parte. Per tale ragione si studiano tecnologie in grado di offrire pannelli esteticamente sempre più gradevoli, pannelli mimetizzabili nel contesto abitativo urbano e delle periferie e, addirittura, pannelli completamente invisibili… Per raggiungere tali scopi, scienziati e ricercatori di tutto il mondo si stanno orientando verso nuovi orizzonti tecnologici: plastiche opportunamente trattate, lacche e tutti i possibili materiali che possano sostituire il silicio per ridurre i costi di produzione.

Non si tratta di fantascienza ma delle tecnologie attualmente in fase di studio e sperimentazione le quali, si prevede, saranno disponibili già dal 2015-2016. La prima di queste innovazioni prevede l’impiego di pannelli realizzati in “plastica” (opportunamente trattata) i quali sostituirebbero totalmente il classico pannello fotovoltaico realizzato con l’impiego del silicio. I vantaggi si traducono in termini di costi minori (fino all’80% in meno), semplicità delle lavorazioni e dell’interno processo produttivo ed un’estetica molto più adattabile ai contesti abitativi. Si è scoperto che con la plastica, sotto determinate condizioni, si possono ricavare da 10 watt di energia solare, 1/10 di watt di energia elettrica. Un valore a dire il vero troppo basso se non fosse per il fatto che trattando opportunamente il materiale con delle particelle (polimeri conduttori e nanostrutture di carbonio) la quantità di energia elettrica che si riesce a ricavare sale notevolmente (attualmente non sono disponibili dati precisi su tali studi ma l’unico parametro attendibile pare sia un rendimento inferiore rispetto ai pannelli fotovoltaici basati su silicio per via della bassa conduttività dei polimeri). Tali pannelli in plastica oltre ad essere più economici e facilmente lavorabili, possono essere realizzati con particolari forme e linee in modo da abbellire le facciate degli edifici offrendo un impatto decisamente gradevole, pulito e moderno. Anche per questa soluzione la durata della vita utile è prevista intorno ai 15-20 anni.

Altra tecnologia interessante, attualmente in fase di studio, è una particolare lacca che sarebbe in grado di trasformare l’energia solare in energia elettrica (esattamente come avviene in un normalissimo pannello fotovoltaico). Tale lacca potrebbe essere spruzzata su edifici di vario genere e rimanere completamente invisibile oltre ad essere facilmente applicabile e, soprattutto, con costi decisamente contenuti. Io personalmente credo che potrebbe essere persino miscelata con le vernici delle automobili ibride ed elettriche per dare un ulteriore apporto energetico utile alla ricarica delle batterie sia in movimento che durante una sosta. Una soluzione sicuramente molto interessante ma tutta da dimostrare per quanto concerne l’efficacia, l’affidabilità e la sicurezza.

Insomma, si cerca di trovare ogni possibile materiale alternativo al silicio con lo scopo di realizzare pannelli con una flessibilità d’uso smisurata, applicabili su diverse superfici e, ovviamente al costo più basso possibile immaginabile anche se questo dovesse significare un rendimento più basso di qualche punto percentuale.

Alla pellicola di plastica, facilmente modellabile, viene applicato un rivestimento conduttivo.

19 febbraio 201126 novembre 2018

Compotec 2011. Alla ricerca di fornitori, know how e tecnologie…

Si è concluso ieri a Carrara il Compotec 2011, la fiera (riservata agli operatori del settore) dei materiali compositi destinati all’automotive, alla nautica e ad alcune applicazioni per l’edilizia. Decisamente interessante l’offerta del settore che trova sempre più riscontri in nuove applicazioni, campi di impiego ed ha conosciuto una notevole crescita negli ultimi 20 anni. La fiera, dalle dimensioni compatte, è facilmente visitabile ed offre un’esposizione decisamente densa di una moltitudine di prodotti, materiali compositi, fibre, tessuti, resine, schiume, collanti, materiali per stampi, macchinari e attrezzature per specifici impieghi. E’ inoltre possibile incontrare ingegneri ed esperti del settore (come nel nostro caso) per proporre collaborazioni e mettere insieme il proprio know how al fine di realizzare un prodotto finito ad alto contenuto tecnologico.

Da notate che è sempre più frequente la cottura di materiali compositi e resine sia a bassa pressione che a pressione atmosferica (sempre in condizioni di vuoto ed a determinate temperature) riducendo notevolmente i costi di impianto ed il costo di lavorazione del materiale rispetto alla tradizionale cottura a pressioni elevate. Secondo gli ingegneri del settore ciò non intaccherebbe la robustezza del prodotto finito. Aston Martin, ci dicono, realizza le sue carrozzerie in composito con cottura a pressione atmosferica. Avremo ovviamente modo di approfondire l’argomento nello sviluppo dell’apposita rubrica “Introduzione alle tecniche di laminazione dei compositi“.

8 febbraio 2011

Tecnologia Williams Hybrid Power

Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Tecnologia Williams Hybrid Power – Parte seconda

Nell’articolo “Che cos’è un accumulatore di energia cinetica a volano?” vi abbiamo mostrato una panoramica del sistema Williams Hybrid Power basato su accumulatore di energia cinetica a volano, ora vi raccontiamo le caratteristiche tecniche nel dettaglio.

Il volano è in grado di raggiungere i 40.000 giri/minuto in soli 2 secondi.
In caso di avanzamento a velocità inferiore ai 7 km/h il sistema viene automaticamente scaricato per evitare ogni possibile fuga di energia elettrica.
Il sistema di controllo dell’isolamento è in continuo monitoraggio per individuare eventuali perdite di corrente.
Alla partenza della gara (ricordiamo che il dispositivo è montato su una Porsche 911 Hybrid destinata alle gare di endurance: 24 ore del Nurburgring, ecc.) l’accumulatore di energia cinetica è scarico ma bastano 2 secondi di frenata per portarlo a 40.000 giri/minuto.
L’accumulo di energia è straordinariamente veloce ma l’autonomia per alimentare i motori elettrici ha una durata di 6-8 secondi. Una normale batteria non riuscirebbe ad elaborare la corrente necessaria in tempi così brevi di carica e di scarica.
L’accumulatore di energia cinetica a volano è in grado di accumulare 1 Megajoule di energia.
E’ prevista una vita utile pari ad un milione di cicli di ricarica.
Piena potenza (60kw a motore – due motori alimentati) disponibile per 6-8 secondi.

I motori elettrici montati sull’avantreno della Porsche 911 Hybrid hanno un rendimento del 90% circa (rendimento che potrebbe essere superiore dato che non lavorano nel proprio carico ottimale ma girano tra 0 e 15.000 giri/min), inoltre l’elettronica di gestione dell’impianto Williams Hybrid Power comporta una perdita di un ulteriore 10%. In conclusione si può sfruttare solo l’80% circa dell’energia caricata e per una sequenza full in/full out si ottiene un rendimento stimato attorno al 65-66% ovvero un rendimento doppio a quello di un raffinato motore a scoppio.

Al momento il software di gestione del sistema e l’elettronica della vettura sono in pieno stadio di sviluppo e si presume pertanto di poter migliorare le prestazioni complessive del sistema stesso. Porsche sta compiendo tali sviluppi in piena autonomia in modo da approfondire le conoscenze necessarie in merito e fruire in futuro di una propria tecnologia.

Clicca per ingrandire. Porsche 911 Hybrid con tecnologia Williams Hybrid Power

4 febbraio 2011

Che cos’è un accumulatore di energia cinetica a volano?

Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Tecnologia Williams Hybrid Power

Ogni volta che, alla guida della vostra auto, frenate, buttate letteralmente l’energia che il vostro veicolo ha acquisito nella precedente accelerazione (e mantenuto durante il suo moto) con una grande spesa di carburante. Ma se ogni volta che frenate, una buona parte dell’energia cinetica venisse trasformata in energia elettrica da raccogliere in un apposito dispositivo, allora potreste riutilizzarla durante la successiva accelerazione del vostro veicolo per alimentare uno o più motori elettrici di ausilio al normale motore a scoppio. Ciò comporterebbe un evidente risparmio di carburante.

Si chiama “accumulatore di energia cinetica a volano”, o se desiderate “volano elettrico”, la tecnologia Williams Hybrid Power adottata con esito più che soddisfacente sulla Porsche 911 Hybrid destinata alle gare Endurance. Essa è basata su un volano in grado di accumulare, durante la frenata, l’energia elettrica proveniente dai motori elettrici (ma sarebbe più opportuno dire “macchine elettriche”) collocati all’avantreno. Tali motori vengono chiamati a svolgere una duplice funzione: quando vengono alimentati forniscono trazione alle ruote anteriori generando 60 kW ognuno (potenza che si va a sommare a quella del motore a combustione interna), quando invece non si dà gas e, anzi si sta frenando, fungono da generatori in grado di inviare energia elettrica all’accumulatore di energia cinetica a volano.

Normalmente un volano è costituito da un rotore tenuto sospeso da appositi supporti (nei sistemi più evoluti tali supporti sono magnetici al fine di ridurre le perdite per attrito e quindi l’autoscarica) e connesso ad un motore elettrico/generatore sia in accoppiamento diretto che in accoppiamento elettromagnetico (per un ulteriore riduzione delle perdite). Per la realizzazione di un accumulatore di energia cinetica a volano si possono utilizzare diversi materiali tra cui l’acciaio, varie fibre di carbonio e compositi. Si sono studiate diverse geometrie del rotore, al fine di garantire un’elevata velocità di rotazione ed un altrettanto elevato momento di inerzia, che hanno permesso di raggiungere il ragguardevole valore di 100.000 rotazioni al minuto.

Il rallentamento del veicolo avviene inizialmente unicamente per via meccanica. Solo nel momento in cui la presa tra le pasticche ed i dischi è massima inizia la trasformazione dell’energia di frenata in energia elettrica che attiva l’accumulatore di energia cinetica a volano. L’energia cinetica di quest’ultimo viene frenata elettricamente durante l’accelerazione del veicolo e la carica ottenuta aziona i motori posti all’avantreno i quali forniranno il loro “aiuto” durante l’uscita da una curva, un sorpasso, una salita… insomma quando si desidera uno spunto in più che provenga da un recupero di energia (quindi da una sorta di ottimizzazione) piuttosto che dall’impiego di una maggiore quantità di carburante.

La soluzione, per l’appunto montata sulla Porsche 911 Hybrid, non serve infatti ad incrementare le prestazioni bensì a ridurre i consumi e di conseguenza anche le emissioni inquinanti a parità di prestazioni. Va infatti considerato che i 60 kW di potenza in più servono a compensare i 150 kg aggiuntivi dell’impianto. Non se ne trae quindi un vantaggio prestazionale ma solo ed esclusivamente in termini di riduzione dei consumi e di conseguenza delle emissioni nocive.

Di recente il volano motore elettrico di Williams è stato migliorato con una particolare innovazione ovvero la tecnologia MLC (Magnetically Loaded Composite) che prevede l’impiego, al posto dei comuni magneti permanenti, di una polvere magnetica mescolata nella matrice di un rotore realizzato in composito. In assenza di grandi strutture metalliche le perdite di corrente ed il riscaldamento sono fenomeni trascurabili, ne segue logicamente un rendimento elettrico molto elevato. Inoltre tali dispositivi possono essere sfruttati a fondo e con continuità senza per questo pregiudicarne le prestazioni, l’affidabilità e la longevità. E’ da notare infine che l’utilizzo di un rotore in composito aumenta la sicurezza passiva del sistema: in caso di rotture (è opportuno pensare anche a questa evenienza) non ci sono frammenti metallici con una forte inerzia che possono essere centrifugati con forte rischio di espulsione (il rotore è in grado di raggiungere i 40.000 giri/min).

Un volano (flywheel) accumula energia sotto forma di energia cinetica rotazionale di una massa rotante (rotore). L’energia accumulata vale: E = 1/2 I ω² dove I è il momento di inerzia della massa rotante e ω è la velocità rotazionale.

Si tratta di sistemi con una moltitudine di proprietà interessanti:

ricarica rapida,
lunga vita utile,
elevata energia specifica (c.a. 130 Wh/kg),
elevata potenza specifica,
elevata efficienza di carica/scarica (c.a. 90%).

Vantaggi rispetto alle batterie:

regime di carica/scarica dipendente dall’elettronica e dal sistema/motore/generatore,
prestazioni indipendenti dalla temperatura,
materiali utilizzati privi di particolare impatto sull’ambiente,
contenuto energetico facilmente misurabile rilevando la velocità rotazionale.

D’altra parte vi sono anche degli svantaggi tra cui:

l’autoscarica dipende fortemente dalle condizioni d’uso,
l’effetto giroscopico della massa rotante influisce sulla dinamica di guida e richiede un opportuno bilanciamento che può rivelarsi persino vantaggioso se ben progettato,
rischio di esplosione (intesa come rilascio rapido dell’intera energia accumulata) della massa rotante in caso di malfunzionamento.

Link correlati

Tecnologia Williams Hybrid Power.

accumulatore energia cinetica a volano schema

Lo schema del dispositivo e il punto di alloggiamento scelto da Porsche per le prove in pista

accumulatore energia a volano

Spaccato del dispositivo Williams Hybrid Power montato da Porsche sulla 911 Hybrid

3 febbraio 2011

Che cos’è un Ultracapacitore (o Supercondensatore)?

Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Accumulo e utilizzo rapido di energia mediante ultracapacitore

Un ultracapacitore (o ultracondensatore o supercondensatore) è una sorta di batteria in grado di accumulare grandi quantità di energia, essere ricaricata centinaia di migliaia di volte e, cosa più importante, essere ricaricata in tempi decisamente brevi. La tecnologia oggi è arrivata al punto di offrire ultracapacitori in grado di ricaricarsi completamente in tempi che vanno da 1 a 30 secondi. Ci sono delle pecche? Come è naturale che possa essere sì: il peso e, per qualche tempo ancora, i costi. L’efficienza è attestata intorno a valori del 90-95% e sono previsti 500.000 cicli di ricarica senza problemi. Tecnicamente un ultracapacitore è un dispositivo a cavallo tra le tradizionali batterie ricaricabili ed un condensatore elettrolitico. Vanta elevata potenza, energia e affidabilità a lungo termine. Un ultracapacitore è composto da due elettrodi immersi in un elettrolita. La separazione avviene per mezzo di un dielettrico poroso che previene il cortocircuito degli elettrodi. Un ultracapacitore immagazzina energia sotto forma di cariche elettrostatiche. Queste si dispongono in versanti opposti a seconda della carica che si forma tra la superficie degli elettrodi e l’elettrolita.

Simili dispositivi sono stati scartati ad esempio nel progetto della Porsche 911 Hybrid perchè, nonostante la buona autonomia fornita ai motori elettrici nonché la possibilità di ricarica rapida ad ogni frenata, il peso non rendeva complessivamente vantaggioso il meccanismo messo a punto da Porsche. Ragione per cui si è optato per un accumulatore di energia cinetica a volano.

Gli ultracapacitori più commercializzati sono costituiti da due elettrodi (solitamente a base di carbone attivo) e da un elettrolita, tale versione prende il nome di EDLC ovvero Electrochemical Double Layer Capacitor e funziona sostanzialmente come un normale condensatore accumulando energia elettrica e trasferendo cariche elettriche (positive e negative) sui due elettrodi separati da un isolante (in questo caso elettrochimico). Nell’ultracapacitore la carica elettrica si accumula all’interfaccia tra un conduttore (l’elettrodo) ed un elettrolita liquido, generando quindi un doppio strato di cariche dove ad ogni elettrodo equivale un condensatore a facce piane. L’aumento delle caratteristiche ottenuto dagli ultracapacitori, rispetto ai normali condensatori, è sostanzialmente dovuto all’utilizzo di materiali innovativi ad alta superficie microscopica ed allo spessore equivalente del dielettrico, pari alla distanza tra le cariche elettriche (spessore del doppio strato) e non a quella tra gli elettrodi. Possiamo effettuare interessanti distinzioni tra le configurazioni degli ultracapacitori (o supercondensatori), di seguito ne troviamo un breve elenco.

Pseudo-condensatori: alla carica elettrostatica aggiungono quella elettrochimica associata a 2 particolari reazioni elettrodiche.
Ultracapacitori simmetrici: hanno i due elettrodi uguali.
Ultracapacitori asimmetrici: hanno i due elettrodi dello stesso materiale ma di composizione diversa.
Ultracapacitori ibridi: hanno i due elettrodi di materiale diverso.
Ultracapacitori asimmetrici ibridi: ad un elettrodo di supercondensatore viene abbinato un elettrodo di una batteria.

Si possono poi effettuare distinzioni basate sull’elettrolita utilizzato, esso infatti può essere di tipo “acquoso” o di tipo “organico” (o non acquoso). Il primo tipo utilizza acido solforico diluito ed è caratterizzato da una tensione di lavoro di circa 0,7-0,9 V mentre il secondo tipo (più recente) raggiunge una tensione di cella superiore ai 2,3 V. Grazie a queste soluzioni si è potuto superare il limite di 5 Wh/kg di energia specifica e 4-5 kW/kg di potenza specifica con una stabilità e durata di vita ben maggiore di 500.000 cicli completi di carica e scarica.

L’energia accumulata vale:
E = 1/2 CV² dove C è la capacità del condensatore espressa in Farad e V è la tensione nominale in Volt.

La potenza di picco invece vale:
P = V²/(4R) dove V è la tensione nominale espressa in Volt ed R è la resistenza equivalente serie in Ohm.

Gli ultracapacitori sono prevalentemente destinati all’uso industriale (backup, unità di potenza ausiliaria, compensazione della potenza istantanea, compensazione potenza di picco), alle energie rinnovabili (stoccaggio energia ricavata in eccesso dai pannelli fotovoltaici), alle piccole utilità elettroniche (cellulari, computer portatili…) ed ai trasporti (vetture elettriche, vetture ibride, moto e biciclette elettriche, trasporti pesanti). Insomma possiamo definire un ultracapacitore un dispositivo affatto complesso che sfrutta un fenomeno puramente fisico di un processo reversibile di accumulo elettrostatico, anziché una reazione chimica, con la conseguenza che si ottengono i vantaggi e gli svantaggi sopra citati.

ultracapacitor

Un simile dispositivo è l’ideale per immagazzinare rapidamente l’energia fornita ad ogni frenata da un veicolo ibrido.