Ottimizzazione strutturale di un collettore solare parabolico mediante la tecnologia dell'incollaggio

This thesis focuses on the structural optimization of a parabolic trough collector, developed in cooperation with Eni e MIT, through the use of structural bonding. A study of the feasibility of using the two-component epoxy resin replacing traditional mechanical joints, such us riveting and screwing, it is carried out. During the design of the parabolic trough, some mechanical joints were selected in order to be replaced by bonded joints, that are more efficient in mechanical strength and energetic performance, thanks to the higher expected stiffness. In fact, a less deformable parabolic trough means a more precise reflection toward the receiver and therefore an important contribute to the consistency of the investment in a solar thermal power plant using parabolic trough layout. The first part of the thesis focuses on the analysis of the marketed parabolic trough collectors, on the general description of the trough developed inside the Machine & Vehicle Design Department of Politecnico di Milano, on the analysis of the structural adhesive used, pursuant to experimental tests and numerical modeling with finite element method. Subsequently the new typologies of bonded joints was designed, replacing screws and rivets. In order to validate the choice made, experimental static and fatigue tests were designed, both in the original version and in the bonded version, with the additional purpose of comparing directly the structure response under the work loads. The experimental tests were performed also in order to confirm the differences and the analogies between the two types of joints, and to validate finite elements modeling.

Il lavoro di tesi riguarda l’ottimizzazione strutturale di un collettore solare parabolico, sviluppato in collaborazione con Eni e l’università di Boston MIT, attraverso l’utilizzo delle tecnologie di incollaggio. In particolare si è studiata la possibilità di utilizzare la resina epossidica bicomponente in sostituzione dei tradizionali collegamenti meccanici, quali rivettatura e bullonatura. All’interno della struttura del collettore parabolico, in seguito ad una serie di simulazioni a elementi finiti e attente valutazioni di tipo economico, sono state scelte alcune tipologie di giunzioni da sostituire con unioni incollate. Queste ultime risultano essere più efficienti in termini di resistenza meccanica e rendimento energetico, grazie a una maggiore rigidezza strutturale prevista. Infatti, un profilo parabolico meno deformabile permette una riflessione dei raggi solari più precisa verso il ricevitore e quindi un contributo importante alla consistenza dell’investimento in una centrale solare con collettori parabolici. Le giunzioni incollate inoltre permetterebbero un sostanziale risparmio economico nella costruzione della singola struttura. La prima parte del lavoro di tesi è incentrata sull’analisi dei collettori solari presenti sul mercato, sulla descrizione generale parabola sviluppata all’interno del dipartimento di Costruzioni di Macchine del Politecnico di Milano, sulle analisi dell’adesivo strutturale utilizzato dopo apposite prove sperimentali e sulla modellazione numerica ad elementi finiti. Sono state successivamente progettate le nuove tipologie di giunzioni incollate, in sostituzione degli originali elementi rivettati e bullonati. Per validare la scelta, sono state progettate delle prove statiche e a fatica delle due tipologie di giunto, originale e incollato, allo scopo di confrontare direttamente la risposta della singola parte di struttura soggetta a carichi confrontabili con quelle che agiscono durante la vita utile del collettore. Le prove sperimentali sono state inoltre eseguite per confermare le differenze e le analogie tra i due tipi di giunti, oltre che per validare i modelli ad elementi finiti.