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Energia Alternativa ed Energia Fai Da Te > Software Solare, Termico, Eolico, Meccanico... e Dati

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Progetto Stirling solare a membrane, una sfida alla semplicità
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Libero51

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Inviato il: 2/2/2009,22:02

Ciao a tutti,

l'idea che vorrei sviluppare riguarda un'applicazione solare del motore stirling caratterizzata da basso salto di temperatura e pressione e . . . grande superficie.
La temperatura massima di circa 90 o 110 gradi ottenibile con un paio di specchi ed un sistema di puntamento automatico comporta piccole differenze di pressione valutabili intorno al decimo di atmosfera ; il sistema deve poter sfiatare l'aria in eccesso con un foro calibrato.
I materiali usabili sono il legno, la lamiera metallica e la gomma vulcanizzata o meglio di silicone per le grandi membrane. La corsa molto limitata dovrebbe consentire l'uso delle membrane consentendo una configurazione alfa quasi autoavviante. La sequenza ottenuta da un programmino mostra le quattro posizioni classiche e rappresenta la sezione del motore che sarà stretto e lungo. Tale condizione dovrebbe limitare le perdite dinamiche della grande massa d'aria in movimento. In primavera costruirò il primo prototipo e nel frattempo c'è il tempo di fare una piccola analisi con quattro conti ed ascoltare le vostre considerazioni. Per gli appassionati di programmazione fornirò programma e sorgenti.

Un saluto a tutti

http://www.energialternativa.info/Public/NewForum/ForumEA/2/2/6/2/4/8/7/1233606427.jpg



Modificato da NonSoloBolleDiAcqua - 27/10/2014, 12:21:43
 

sun_son
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Inviato il: 3/2/2009,00:42

Libero .....
facci volare....
:-)
sun_son

 

Libero51

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Inviato il: 4/2/2009,11:43

CITAZIONE (sun_son @ 3/2/2009, 00:42)
facci volare....

eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee......craschhhhh faccine/blowup.gif

Ciao a tutti , che botto ! ho scoperto uno degli infiniti modi per costruire un motore stirling che NON funziona ! . . .

Supponiamo di avere a disposizione un salto termico da 300 °K a 366 °K (da 27°C a 93 °C)
Essendo un motore non presurrizzato alla temperatura media di 333°K corrisponde la pressione di 1 Atm e possiamo scrivere il salto termico come 333 +/- 33 . Tale variazione comporta , a volume costante, una variazione di pressione di 1 Atm +/- 0,1 Atm e a pressione costante una variazione di volume ,per esempio, da 12 litri +/- 1,2 litri. Se il cinematismo realizzasse una tele variazione di volume il motore sarebbe ancora lontano dal funzionare in quanto la variazione di temperatura compenserebbe "appena" la variazione di volume realizzata dal cinematismo. Per compensare le inefficienze di scambio termico tra le pareti calda e fredda e l'aria e rendere il motore "propulsivo" è necessario che il cinematismo realizzi variazioni di volume minori.
Di quanto? questo è uno dei segreti dello stirling e porta inesorabilmente al fallimento chiunque pensi di usare una configurazione alfa con salti termici così esigui.

Facendo un pò di calcoli nel modello che avevo considerato ,con 10 litri di volume per ogni sezione e 2 litri di spazio morto, il volume complessio varia da 5 a 19 litri ovvero 12 litri +/- 7 litri.
Tale rapporto è enorme rispetto a quello raggiungibile con lo scarto termico disponibile e quindi il motore non funziona; potrebbe funzionare con salti termici molto più elevati ma questa è un'altra storia.

Procederò prossimamente con l'analisi del modello a membrana tipo gamma che è semplicemente l'ingrandimento del primordiale modellino : . . . Coca Cola e palloncino.

Sono alla ricerca della risposta a quella domanda in rosso . . . . . . .

Salut a tuttii




Modificato da Libero51 - 5/2/2009, 00:24
 

Lupo cattivo

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Inviato il: 4/2/2009,13:01

CITAZIONE (Libero51 @ 4/2/2009, 11:43)
...omissis...Di quanto? questo è uno dei segreti dello stirling e porta inesorabilmente al fallimento chiunque pensi di usare una configurazione alfa con salti termici così esigui....omissis...

Libero, non ti crucciare:
Vuolsi così colà dove si puote
ciò che si vuole, e più non dimandare
faccine/clap.gif faccine/biggrin.gif faccine/tongue.gif

Facezie a parte, (che spero tu apprezzi) puoi mettere per esteso le formule che hai usato per calcolare l'aumento di volume in funzione del salto termico disponibile e , viceversa, dato il necessario aumento di volume, il salto termico richiesto?
Presumo sia la semplice equazione pV=nRT ma, non essendo certo, chiedo conferma.

 

Libero51

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Inviato il: 4/2/2009,21:33

CITAZIONE (Lupo cattivo @ 4/2/2009, 13:01)
. . . Vuolsi così colà dove si puote
ciò che si vuole, e più non dimandare . . .

Ciao a tutti , Dante è convinto che la "fede" sia la via per la conoscenza e questa convinzione , per'altro attualissima ,se non impedisce un percorso di ricerca della conoscenza rispettosa di se e del prossimo anche al di fuori del credo religioso, penso sia legittima.
Stiamo parlando di tempi in cui chi veniva imputato di empietà veniva bruciato sul rogo.
Ho scelto l'effige di DARWIN sul mio avatar (senza meritarla) e il prete che mi battezzò non era troppo contento del nome BRUNO per certe questioni calde che avevano riguardato un certo GIORDANO. . .
casualità ?

Dante chiede a Virgiglio di sostenere il dialogo con Ulisse.
Nel racconto Ulisse, di fronte alle colonne d'Ercole incita i compagni a proseguire oltre i confini dell'universo.

"O frati", dissi "che per cento milia
perigli siete giunti a l’occidente,
a questa tanto picciola vigilia
_____d’i nostri sensi ch’è del rimanente,
_____non vogliate negar l’esperienza,
_____di retro al sol, del mondo sanza gente.
Considerate la vostra semenza:
fatti non foste a viver come bruti,
ma per seguir virtute e canoscenza".


Dante non è un cattolico integralista ma neppure un laico e per tale empietà contro il credo religioso dei suoi tempi lo colloca all'inferno.La richiesta a Virgiglio deriva dall'imbarazzo per tale condanna e dalla profonda ammirazione per tale personaggio . Tale contrasto gli impedisce un dialogo diretto.

Dante rimane saggio e geniale anche nel suo nobile imbarazzo.


Ciao Lupo, come vedi apprezzo eccome.
In quella semplice formula è contenuta quasi tutta la mia termodinamica ! .
Il calcolo del volume minimo e massimo determinato dal cinematismo è realizzato con semplici calcoli trigonometrici. Se ti interessa ti mando programma e sorgenti VB5 ma i lavori sono "in corso".
Sento comunque la necessità di un confronto teorico e sei il primo a scendere (o salire ?) su questo piano.

Un saluto a tutti faccine/construction.gif




Modificato da Libero51 - 5/2/2009, 00:26
 

Libero51

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Inviato il: 5/2/2009,09:23

CITAZIONE (Libero51 @ 4/2/2009, 11:43)
. . . Procederò prossimamente con l'analisi del modello a membrana tipo gamma . . .

Ciao a tutti , dico una cosa ma poi , sono ritornato all' alfa .
Osservando il modellino grafico ho pensato di separare le due bielle con un certo angolo e . . .
vi allego il programma.
Come potrete constatare il cinematismo originale del motore alfa con le bielle in quadratura sullo stesso perno di manovella realizza il rapporto di compressione elevato che mi aveva indotto ad abbandonare tale tipo di motore. (sfasamento = 0°).
Con uno sfasamento dei perni di 90° il rapporto di compressione scende a . . . 0.
Proverete a variare tale angolo e potrete osservare l'andamento sul diagramma PV.
Mi pare che un'angolo intorno ai 75 - 80 gradi realizzi il rapporto di compressione che sto cercando.

Un saluto a tutti

http://myfreefilehosting.com/f/ef6241a608_1.37MB

 

Lupo cattivo

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Inviato il: 5/2/2009,10:54

CITAZIONE (Libero51 @ 4/2/2009, 21:33)
...omissis...Ciao Lupo, come vedi apprezzo eccome.
In quella semplice formula è contenuta quasi tutta la mia termodinamica ! .
Il calcolo del volume minimo e massimo determinato dal cinematismo è realizzato con semplici calcoli trigonometrici. Se ti interessa ti mando programma e sorgenti VB5 ma i lavori sono "in corso".
Sento comunque la necessità di un confronto teorico e sei il primo a scendere (o salire ?) su questo piano.

Un saluto a tutti faccine/construction.gif

Dante lo conosci mooooolto meglio di me che mi limito a far le citazioni classiche; in seconda media (12 anni) lo definii, in un tema, un sadico perverso: le torture descritte nell'inferno mi avevano molto impressionato, e così convocarono mia madre. faccine/cry.gif Da allora il rapporto tra me ed il sommo poeta è ambiguo.
La termodinamica la ricordo abbastanza, ma , come scrissi altrove, non ho mai avuto grande dimestichezza coi calcoli, ragion per cui vado a spanne, cosa che mi permette di valutare l'interezza del sistema anzichè fermarmi ai singoli stadi.
Sì, hai ragione è una comoda scusa.
Le mie capacità di programmazione sono scarse e rivolte a tutt'altro genere di programmi, per cui è bene accetto il programma a cui stai lavorando, quando lo avrai finito.
Il confronto teorico è molto gradito. faccine/smile.gif

 

Libero51

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Inviato il: 5/2/2009,14:27

CITAZIONE (Lupo cattivo @ 5/2/2009, 10:54)
. . . quando lo avrai finito. . .

Ciao a tutti , non ho trovato sul "mio" vocabolario il termine finito. Penso sia un participio passato di un verbo "finire" a me sconosciuto. Sono anni che mia moglie insiste a spiegarmelo e con lei , ogni volta, devo far finta di aver capito. Spero di capirlo , almeno un'attimo prima . . . di morire, ma a che servirebbe ?. Ho pubblicato , nell'intervento precedente la versione 1.0 e per le successive pubblicherò solo l'eseguibile aggiornato molto corto. I sorgenti sono disponibile se qualcuno è interessato. Un codice sorgente è un pò lo specchio della mente di chi lo compila , potrebbe essere pericoloso . . .

Un pò di teoria

Per ogni angolo dell'albero motore il cinematismo determina il volume nella "camera" calda ed il volume della camera "fredda". Il calcolo di tali volumi dipende dal cinematismo e le formule impiegate sono normali formule trigonometriche del tipo :

Volume caldo = Volume_caldo_Max f (a)
dove Volume_caldo_Max è il volume della camera calda completamente espansa e f(a) è una funzione trigonometrica.

Bisogna valutare il Volume dello spazio morto ovvero di quel volume che per geometria del motore rimane costante durante il funzionamento (La membrana completamente retratta non annulla completamente il volume della sua camera).

Ho usato per lo spazio morto un valore percentuale del 10% del volume complessivo delle due camere simmetriche.

Il programma calcola quindi per ogni angolo motore il valore di Vc,Vf,Vd ovvero volume istantaneo caldo.freddo e morto.

Occorre valutare il valore delle corrispondenti temperature dei e volumi di aria.

Se indichiamo con Tc,Tf,Td tali temperature si assume che Tc sia il valore di temperatura della parete calda , Tf quella della parete fredda e Td la media delle due .

In questa grossolana approssimazione non si tiene conto dell'inefficienza di scambio delle pareti , solo un movimento infinitamente lento assicurerebbe che in ogni camera la temperatura di tutta 'aria sia uguale a quella della corrrispondente parete. In realtà questo non è possibile e vedremo più avanti come tener conto di tale fattore.

La massa totale dell'aria è la somma delle masse nei tre volumi :

m = mc + mf + md ; dalla formula di stato PV = mRT si ottiene:

m = (PVc/RTc) + (PVf/RTf) + (PVd/RTd)

si ricava P

P= (1/(mR)) (Tc Tf Td) / ( (Vc Tf Td) + (Vf Tc Td) + (Vd Tc Tf) )

dove 1/(mR) è costante

In questo modo si determina per ogni angolo del motore la corrispondente pressione.

Se osservate il grafico vi accorgerete che il cursore sul grafico sfiora le isoterme di confine simulando un rendimento del 100 % dello scambio termico tra aria e pareti calda e fredda.

Chiaro fin quì ?

Il resto alla prossima puntata

Un saluto a tutti faccine/wheelchair.gif


 

Lupo cattivo

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Inviato il: 5/2/2009,17:37

Per ordine; ho scaricato il programma e osservato il moto, quando scrissi che attendevo che tu avessi finito non avevo capito il tuo profondo sentire inerente il fluire e l'evolversi delle cose.
Mi sento affine.
Considerazioni: l'assumere una temperatura media tra gli estremi caldo e freddo pari alla media aritmetica delle due non è approssimazione così peregrina e grossolana: se ragioni in termini di coppie di temperature e fai una sommatoria ottieni proprio la media aritmetica: mi spiego
Posta T

1
la temperatura massima di calore avremo , nello strato immediatamente adiacente una T
2
a temperatura leggermente più bassa ed una T
3
nello strato immediatamente adiacente a T
2
ancora leggermente più bassa e così via.
Analogo discorso per la parte fredda, dove ovviamente la temperatura salirà anziche discendere.
La media della sommatoria di questi strati, che possiamo considerare numerosi quanti si vuole, dà esattamente la media aritmetica.
Considerazione teorica, se sostituiamo un fluido con uno con buona conduzione di calore e massa superiore avremo un rendimento maggiore, il tutto è meramente teorico perchè certo non si realizza uno Stirling che usi come fluido il sodio o il piombo fuso. faccine/w00t.gif
L'assumere il 10% di camera "morta" è noto solo al realizzatore, che materialmente conosce i particolari del progetto quindi tu.
Invece sul simulatore grafico da te realizzato non capisco qualcosa: le variazioni di pressione e temperatura sono massime in corrispondenza di un angolo di 0 gradi e vanno via via diminuendo man mano che l'angolo si approssima a 90 gradi, sino ad avere nulla variazione di volume appunto a 0 gradi di manovellismo.
Allora se ne dedurrebbe che il miglior manovellismo è quello a 90 gradi, dove si ottengono le maggiori pressioni, ma sono quasi certo che entrano in gioco altre questioni, quali?




Modificato da Lupo cattivo - 5/2/2009, 17:55
 

Libero51

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Inviato il: 6/2/2009,00:30

CITAZIONE (Lupo cattivo @ 5/2/2009, 17:37)
. . . l'assumere una temperatura media tra gli estremi caldo e freddo pari alla media aritmetica delle due non è approssimazione così peregrina . . .
. . . Invece sul simulatore grafico da te realizzato non capisco qualcosa: le variazioni di pressione e temperatura sono massime in corrispondenza di un angolo di 0 gradi e vanno via via diminuendo man mano che l'angolo si approssima a 90 gradi, sino ad avere nulla variazione di volume appunto a 0 gradi di manovellismo.
Allora se ne dedurrebbe che il miglior manovellismo è quello a 90 gradi, dove si ottengono le maggiori pressioni, ma sono quasi certo che entrano in gioco altre questioni, quali?

Ciao a tutti , ciao Lupo . La temperatura media viene assegnata ,istante per istante, solo al volume fisso dello spazio morto per semplici considerazioni di simmetria . Alla massa di aria contenuta in ogni camera viene assegnata la temperatura della corrispondente parete. Questa è , per il momento, la grossolana approssimazione che non tiene conto dell'inefficienza dello scambio temico tra l'aria in movimento e la pareti calda e fredda.
Per quanto rigurda il manovellismo le tue considerazioni sono esatte.
Nel motore stirling tipo alfa le due bielle sono articolate sullo stesso perno (angolo 0).
In queste condizioni , negli interventi precedenti , ho spiegato che il rapporto di compressione è troppo elevato per un'applicazione con piccolo scarto di temperature.
Supponendo uno scarto dell'ordine di 350°K +/- 35°K ,in una trasformazione a volume costante ,tale scarto produce una variazione di pressione dell'ordine di 1 Atm +/- 0,1 Am .
Una tale variazione di pressione non è in grado di produrre una variazione di volume così elevata. Occorre ricercare un cinematismo che realizzi la duplice condizione : spostare tra le due camere la maggior quantità di ara con una variazione di volume complessva sufficientemente bassa.
Tale condizione risulta facilmente realizzabile variando l'angolo tra le due manovelle. Ho suggerito 80 ° ma occorre calcolare , in ogni istante, (per ogni angolo motore) la coppia motrice realizzata dalla spinta delle due bielle per ricercare la migliore condizione (se esiste). Carnot ci aiuta a prevedere che il rendimento di tale trasformazione sarà certamente molto basso come basso è appunto lo scarto termico ed il corrispondente rapporto di compressione. Voglio verificare se in tali condizioni il grande volume di aria in movimento (cilindrata) facilmente raggiungibile riesce a rendere minimamente utilizzabile tale trasformazione .
Se tale percorso non si sviluppasse l'unica alternativa sarebbe il motore tipo gamma , un grosso coca cola e palloncino. . . piatto.

Un saluto a tutti





 

dega.81

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Inviato il: 7/2/2009,14:51

Buon giorno Libero, ho letto con interesse questa discussione e anche quella precedente sullo stirlling. Scaricando il tuo programma lo ho trovato molto interessate, e mi ha chiarito l'idea sull'angolatura dei leveraggi. Non sono pratico di programmazione perciò potrei chiderti un lavoraccio, ma pensavo fosse utile poter inserire anche le variabili di pressione e temperatura, in modo da poter stimare anche la grandezza del motore.
Un ultima cosa, in questa discussione ho visto che hai accennato qulche volta a un motore con palloncini e lattine, non ho la minima idea di cosa sia, dove posso trovare informazioni?
Grazie e saluti

 

Libero51

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Inviato il: 7/2/2009,19:58

CITAZIONE (dega.81 @ 7/2/2009, 14:51)
. . . pensavo fosse utile poter inserire anche le variabili di pressione e temperatura, in modo da poter stimare anche la grandezza del motore.
. . . ho visto che hai accennato qulche volta a un motore con palloncini e lattine, non ho la minima idea di cosa sia

Termodinamica in pillole


Ciao a tutti e ciao dega.81 . Nel diagramma che porta sulle ascisse il volume e sulle ordinate le pressioni , la temperatura è rappresentata da un ramo di iperbole equilatera . Non allarmarti , cercherò di essere semplice. Conosci sicuramente il cerchio.
Cosa è un cerchio ? il cerchio è l'insieme di tutti gli infiniti punti equidistanti da un punto chiamato centro; tale distanza costante si chiama raggio.
Cos'è un iperbole? Ci sono diversi modi per definirla ma io ti propongo quello che ci interessa di più.
L'iperbole è l'insieme di tutti i punti che formano il vertice di un rettangolo con area costante. Tale rettangolo ha un vertice sul ramo di iperbole e l'altro,diagonalmente opposto, all'incrocio degli assi.
Se provi ad immaginarti tale rettangolo ti accorgi che percorrendo " in discesa" il ramo di iperbole la sua altezza diminuisce e la sua larghezza aumenta . Il prodotto base per altezza rimane costante e rappresenta appunto l'area costante del rettangolo.
Nell' equazione di stato dei gas PV = mRT il prodotto PV altro non è che quel rettangolo (base = V , altezza = P) che sul diagramma ha un vertice nell'origine ed il suo diagonalmente opposto sul ramo dell'iperbole. Nell'equazione di stato m è la massa costante del gas , R è una costante e T è la temperatura espressa in gradi assoluti (Kelvin). Quella temperatura è quindi proporzionale all'area di quel rettangolo e quindi al prodotto PxV.
Sul diagramma ho tracciato le tre temperature verde= 25°C , blu = 50 °C e rossa = 100 °C. Occorre un pò di pazienza e pratica a decifrare tale diagramma ma ti assicuro che è importantissimo. Si potrebbe scrivere un libro su quella formuletta e su quel diagramma , pensa che l'area di quel rettangolo è anche proporzionale all'energia che quella massa di gas ha a quella temperatura . Se ci pensi bene moltiplicando un volume per una pressione ottieni un 'energia !!!! :
m3 x N / m2 = N x m = Joule.
Quindi una certa massa di gas ha un'energia assoluta che dipende solo dalla sua temperatura e non dal suo volume e dalla sua pressione . . . . . .

Per inciso ho abbandonato il motore tipo alfa perchè verificando le spinte sulle membrane mi sono accorto che la spinta utile è determinata dalla differenza di due spinte contrapposte molto più grandi. Il leveraggio è quindi praticamente inutilizzabile.

Sto procedendo con il motore gamma , spero un pò meglio di "coca cola e palloncino"

http://www.geocities.com/davidvwilliamson/stirling.html


Un saluto a tutti.

 

dega.81

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Inviato il: 7/2/2009,21:26

Ti ringrazio libero sei stato molto esauriente.
Il motore coca e palloncino mi serviva per incuriosire la mia sorellina, e magari costruirne uno assieme e le foto che mi hai fatto vefedere sono perfette.
Per il resto ti seguo perfettamente, sono stato un po' frettoloso a scrivere, non avevo pensato che P x V = energia, e se non fosse per gli attriti vari basterebbe questa formula per rapporatre la grandezza del motore (volume) con l'energia teorica prodotta.
Grazie!

 

Lupo cattivo

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Inviato il: 11/2/2009,17:42

CITAZIONE (Libero51 @ 7/2/2009, 19:58)
...omissis... Se ci pensi bene moltiplicando un volume per una pressione ottieni un 'energia !!!! :
m3 x N / m2 = N x m = Joule.
Quindi una certa massa di gas ha un'energia assoluta che dipende solo dalla sua temperatura e non dal suo volume e dalla sua pressione . . . . . .omissis...

Sì, certo ma con l'energia non ci fai ...nulla!
A noi occorre del lavoro, per cui entrano in gioco anche la pressione e la massa del gas.
Le formule le lascio a te che sei molto più diligente e bravo di me. faccine/tongue.gif

 

Libero51

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Inviato il: 12/2/2009,03:48

CITAZIONE (Lupo cattivo @ 11/2/2009, 17:42)
Sì, certo ma con l'energia non ci fai ...nulla!
A noi occorre del lavoro, per cui entrano in gioco anche la pressione e la massa del gas.

Ciao a tutti, ciao Lupo , il lavoro è energia e la pressione e la massa di gas viene considerata nelle formule e nel simulatore grafico. In effetti quello che ci serve è la potenza , ovvero quanta energia viene sviluppata in un secondo. Tale potenza dipende da quanta energia viene resa ad ogni giro o ciclo e da quanti giri il motore compie in un secondo. Non arriverò certo a simulare tali condizioni . Conoscendo in ogni istante pressione , superficie attiva della membrana o pistone e angolo di manovella è possibile risalire alla coppia istantanea. La dinamica delle masse in movimento e la riduzione di scambio termico tra le due superfici calda e fredda determinata dall'aumentare della velocità sono variabili che mi appaiono per ora troppo complesse. Aumentando la velocità, la massa di aria confinata ha sempre meno tempo per scaldarsi e raffreddarsi ciclicamente, questo comporta una diminuzione della variazione di pressione e della coppia motrice . Arrivare a determinare la coppia istantanea ad un numero di giri sufficientemente basso mi pare , per ora, un buon obiettivo.
In fondo , questo tipo di approccio mira a determinare solo alcune delle condizioni per costruire un modello fisico ragionevolmente funzionante.
Ho dovuto ultimamente "rinfrescare" la mia geometria analitica per muovere una biella su una direttrice inclinata , ma alla fine ho trovato la soluzione. So di non poter competere con tecnologie evolute ma riuscire ad ottenere una potenza di una decina di watt per metroquadro con povere risorse mi affascina , e ci sto provando . . .
Tra qualche giorno vi proporrò una simulazione di un motore solare gamma che mi pare interessante.

Un saluto a tutti

 
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