Experimental and numerical investigation of the mechanical behaviour of a parabolic trough collector

Finite element analysis is a powerful technique to support the structural analysis, anyway in order to verify the computational model accuracy, a validation process, made comparing the numerical solution with the experimental data, is required. The present work focuses on the creation of a finite element model of a parabolic trough collector and the conception of an experimental program, performed in the Politecnico di Milano laboratories on a full-scale prototype. The tests are aimed to evaluate the behaviour of the collector under static and fatigue loads, simulating on-field conditions and besides, to validate the numerical model. The experimental setup is composed for each test by a measurement instrumentation chosen to allow both local and global assessments of the collector. Firstly, a reference numerical model was generated in order to replicate the collector features, while the boundary conditions and the loads were modified according with the kind of experimental test to simulate. The validation process, made comparing the experimental and numerical results, was done on two separated levels; the local validation concerned the comparison of the local strain measured by strain gauges with the numerical results, while the global validation concerned the comparisons of the experimental stiffness and the displacement in some relevant points of the structure with the corresponding numerical values. The results highlight that the numerical model can simulate the behaviour of the structure under different load conditions with a reasonable approximation; thus, it can be applied, as a useful and reliable tool, to investigate the parabolic trough collector, allowing to assess different solutions without making further costly and time consuming experiments.

L’analisi agli elementi finiti è una potente tecnica in supporto all’analisi strutturale, tuttavia per verificare l’accuratezza del modello numerico è necessario comparare i risultati sperimentali e numerici mediante un processo di validazione. Il presente lavoro di tesi si concentra sulla creazione di un modello ad elementi finiti di un collettore parabolico lineare e l’ideazione di una campagna sperimentale effettuata su un prototipo in scala reale presso i laboratori del Politecnico di Milano. Le prove sono volte alla valutazione del comportamento del collettore sotto carichi statici e a fatica, simulando condizioni operative sul campo, e inoltre alla validazione del modello numerico. Il setup sperimentale è stato composto in modo da consentire valutazioni relative al collettore sia locali che globali. Inizialmente, è stato creato un modello numerico di riferimento che riproducesse le caratteristiche del collettore, mentre le condizioni al contorno e i carichi sono stati modificati a seconda della tipologia di prova sperimentale che si intendeva simulare. Il processo di validazione, fatto comparando i risultati sperimentali a quelli numerici, è stato eseguito su due livelli; la validazione locale ha riguardato la comparazione della deformazione locale, misurata dagli estensimetri, coi risultati numerici, mentre la validazione globale ha riguardato la comparazione della rigidezza sperimentale e degli spostamenti di alcuni punti rilevanti della struttura coi corrispondenti risultati numerici. I risultati evidenziano come il modello numerico riesca a simulare il comportamento della struttura sotto differenti condizioni di carico con una ragionevole approssimazione; perciò può essere utilizzato come uno strumento utile e affidabile nello studio del collettore parabolico, consentendo la valutazione di differenti soluzioni progettuali senza la necessità di effettuare ulteriori prove sperimentali con il relativo consumo di tempo e risorse economiche.