Impianto solare termodinamico di Ottana

Pubblicato il da Per. Mec. Gabriele Uberti

L’impianto solare termodinamico di Ottana

Riporto dalla rivista La Termotecnica l’articolo di L.Migliari, D. Cocco, S.Arena che riguarda come da titolo “L’impianto solare termodinamico di Ottana” per chi, come me, studiano questi sistemi energetici. Inserendo a fine articolo per i meno esperti o per chi è semplicemente curioso le definizioni di cui parla l’articolo che possono sembrare difficili per la loro comprensione.

Introduzione

Nella piana di Ottana, in Sardegna si è progettato e costruito il primo impianto solare termodinamico ibrido CSP-CPV del mondo. Questo impianto per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile è stato ideato per sperimentare la fattibilità dell’integrazione delle tecnologie solari a concentrazione  note come Concentrating Solar Power e Concentrating Photo-Voltaici.

L’impianto pilota, avente una potenza elettrica complessiva di 1 MW, presenta quindi due sezioni distinte, caratterizzate da efficienze, operatività e dinamiche diverse. La sezione CPV da 400 kWe sfrutta il principio della conversione fotovoltaica, tramite celle multi-giunzione ad alta efficienza abbinate a lenti Fresnel in grado di concentrare fino a 500 volte la radiazione solare.

La produzione elettrica della sezione CPV è caratterizzata da dinamiche molto veloci ed influenzate fortemente dall’andamento temporale dell’irraggiamento, soprattutto nella sua componente diretta (DNI, Direct Normal Irradiance). Questa sezione dell’impianto ibrido è dotata di una batteria elettrochimica con autonomia di un’ora (produzione elettrica a piena carico).

La sezione CSP da 600 kWe invece, è costituita da un campo di concentratori solari lineari Fresnel che focalizzano la radiazione solare su un tubo ricevitore posizionato a qualche metro sopra il loro piano. Nel tubo ricevitore, prodotto dall’italiana Archimede Solar Energy,scorre un olio diatermico che viene riscaldato e accumulato in nun sistema diretto a doppio serbatoio, che permette un’autonomia della sezione CSP di 5 ore di produzione elettrica a pieno carico, anche in assenza di sole.

A valle della sezione di accumulo termico è presente un gruppo di potenza ORC (Organic Rankine Cycle) prodotto dalla Turboden,che converte il contenuto entalpico dell’olio diatermico in energia meccanica e, tramite un alternatore, in energia elettrica. Per limitare il consumo d’acqua, il condensatore è raffreddato con un sistema ad aria.

La sezione CSP, per la natura dei suoi componenti, ha dinamiche molto diverse dalla sezione CPV, ed è proprio su questo punto che si è  testato l’ibridizzazione  di queste tecnologie, nella produzione di energia secondo profili di produzione predeterminati.

La sezione CSP, dotata di una massiva e più economica riserva di energia, dovrebbe riuscire a garantire una produzione elettrica di base, quasi indipendente dalle fluttuazioni temporali della fonte di energia durante la giornata, mentre la sezione CPV, grazie alla sua dinamica veloce, dovrebbe andare a coprire le piccole variazioni e scostamenti real-time dal profilo di produzione.

Studio necessario

Per prevedere e simulare un generico profilo di produzione da ottenere a partire da predeterminati andamenti di irraggiamento, temperatura, percorsi del sole etc., è stato realizzato un modello di simulazione il più possibile accurato e rispondente alla realtà. Per tale lavoro hanno analizzato le perdite termiche del campo solare della sezione CSP, con particolare attenzione alle fasi di riscaldamento mattutino, raffreddamento notturno e ai transitori durante la normale operatività.

 

Configurazione del campo solare a concentrazione

Il campo solare a concentrazione della sezione CSP è basato su sei linee di collettori lineari Fresnel lunghe 200 metri ciascuna. Le linee sono tra loro connesse in parallelo, in una configurazione ad “U” nota come center-feed.

Ciascuna linea di collettori è composta da tubi ricevitori modulari, connessi tra loro in serie tramite giunti di dilatazione a soffietto, e da un campo di specchi primari piani, i quali seguono il percorso del sole da EST a Ovest tramite un meccanismo di inseguimento mono-assiale. La struttura degli specchi primari è dispostya a quasi due metri da terra, in modo tale da consentire il transito della fauna locale e la crescita della vegetazione al di sotto del campo.

I tubi ricevitori sono realizzati in acciaio austenitico inossidabile verniciato con uno speciale rivestimento selettivo che aumenta l’assorbanza e riduce l’emittanza, e sono incapsulati all’interno di un tubo di vetro operante sotto vuoto. Il ricevitore è inoltre dotato di un riflettore secondario, che permette di migliorare il rendimento ottico del campo solare.

Le tubazioni di collegamento tra i collettori solari ed il resto dell’impianto sono realizzate in acciaio e coibentate con uno spessore di 8cm di lana di roccia.

 

Modello matematico del sistema ed assunzioni

La relazione alla base del modello di simulazione sviluppato è l’equazione di conservazione dell’energia, espressione del primo principio della termodinamica per un sistema aperto,applicata con riferimento a volumi di controllo rappresentati da 1 metro di tubo, con una discrezzazione temporale di 1 secondo:

Formula n. 1

Il primo termine rappresenta la variazione nel tempo dell’energia totale del volume di controllo. In accordo alla distribuzione di temperatura iniziale lungo l’asse del tubo ricevitore, il valore iniziale di questo termine è stato calcolato applicando la seguente formula:

Formula n. 2

dove Tcv è la temperatura media del fluido e T0 la temperatura di riferimento (25°C).

Il secondo ed il terzo termine dell’equazione 1 sono i contributi energetici associati al flusso di massa entrante ed uscente dal volume di controllo.

In questo caso, non esiste accumulo di massa all’interno del volume di controllo e le differenze di quota tra le sezioni di ingresso e uscita, così come le variazioni di velocità del flusso, sono trascurabili.

Il termine Q rappresenta la somma degli scambi termici che avvengono tra il volume di controllo ne l’esterno, costituiti dall’energia raccolta dal tubo ricevitore, dalle perdite termiche verso l’ambiente e dalla conduzione interna tra volumi di controllo adiacenti.

La potenza termica raccolta dal tubo ricevitore e trasferita al fluido è stata calcolata con la seguente formula:

Formula n. 3

e tiene conto dell’area degli specchi Ac, della DNI, dell’efficienza ottica di riferimento dei riflettori i solari , delle componenti longitudinale e trasversale dell’Incidence Angle Modifier (AIM), forniti dal costruttore, del fattore di pulizia delle superfici riflettenti e del fattore che considera le perdite di estremità .

Le perdite termiche dei ricevitori, così come quelle delle tubazioni coibentate, sono state valutate in funzione della differenza di temperatura tra l’olio e l’aria esterna. In questo lavoro le temperature nominali di entrata e di uscita dell’olio sono state assunte rispettivamente pari a 150°C e 260°C (quest’ultima può tuttavia arrivare a 280°C).

 

Strategie di gestione del campo solare

Il lavoro di gestione del campo solare ha analizzato le perdite termiche durante le tre distinte condizioni di raffreddamento notturno, riscaldamento mattutino e piena operatività. Dopo il tramonto, l’irraggiamento solare è assente e l’olio contenuto nelle tubazioni coibentate e nei tubi ricevitori si trova inizialmente ad alta temperatrura.

Il profilo di temperatura di ciascuna linea, all’inizio della notte, è infatti uguale all’ultimo profilo di temperatura realizzato durante la fase operativa del campo solare.

Per evitare inutili consumi di energia, durante la notte tutte le pompe sono ferme e le valvole di ingresso e di uscita dal campo solare vengono mantenute serrate. La temperatura della linea diminuisce gradualmente, fino a raggiungere la temperatura ambiente.

Durante il riscaldamento mattutino, ed in generale ogni qualvolta sia necessario ripristinare le condizioni di temperatura di progetto del campo solare, si può optare per una modalità operativa nota come ricircolo. Può essere necessario attuare questa modalità anche dopo annuvolamenti particolarmente duraturi.

Nella modalità di ricircolo, le valvole di ingresso e di uscita dal campo solare da e per i due serbatoi vengono mantenute chiuse, e la pompa di ricircolo è avviata.

Il fluido diatermico ricircola nel campo solare finché esso non raggiunge la temperatura desiderata. A seguito del ricircolo, le valvole sopracitate vengono aperte e la modalità di piena operatività può avere inizio.

 

Risultati ottenuti

Durante i prolungati periodi di assenza di radiazione solare, la massa di olio diatermico contenuta nel campo solare è in stato di quiete.

Considerando una condizione iniziale equivalente all’ultimo profilo di temperatura assiale realizzato in condizioni nominali (ingresso a 150°C e uscita a 260°C), per una temperatura ambiente di 20°C, l’intero processo di raffreddamento fino a temperatura ambiente impiega meno di 4 ore.

Durante il funzionamento in modalità di ricircolo, l’olio diatermico ricircola nel campo solare fino al raggiungimento della temperatura nominale di ingresso (150°C).

Il tempo necessario al raggiungimento di tale condizione, a partire da una temperatura iniziale di 20°C e una portata di ricircolo di 2kg/s, per ogni linea è circa 2 ore.

La simulazione è stata effettuata per due diversi profili di irraggiamento solare, rappresentativi di una tipica giornata di primavera e di una invernale. Durante la giornata di primavera considerata, un alto valore di DNI, pari a 700W/m2, è raggiunto già dopo 2 ore dall’alba, ed infatti il riscaldamento dell’olio diatermico è veloce e dura circa 45 minuti.

Nella situazione invernale, invece, il massimo valore di DNI non supera mai i 200W/m2, e conseguentemente il riscaldamento è più lungo e la temperatura nominale non viene raggiunta prima di 2 ore dall’alba.

Durante la piena operatività, il sistema di controllo deve garantire sempre il raggiungimento della temperatura nominale in uscita (260°C), agendo sulla portata e sulla eventuale de-focalizzazione di parte del campo specchi, nel rispetto dei limiti superiori ed inferiori sulle portate, sulle pressioni e sulle temperature operative.

La temperatura di uscita dell’olio diatermico dipende principalmente dalla DNI e dalla portata massica. Per questo motivo, per l’andamento della temperatura di uscita in funzione della portata massica, vi sono valori di DNI.

Per i bassi valori di DNI, significa che per gli stessi valori di irraggiamento, la portata massica non influisce particolarmente sulla temperatura di uscita. Al contrario, per alti valori di irraggiamento, l’influenza della portata massica sulla temperatura che è possibile raggiungere è notevole.

Per esempio, considerando una DNI di 800W/m2, la temperatura di uscita dal campo solare sarebbe di 320°C per una portata di 0,75kg/s e di 230°C nel caso di una portata di 2kg/s.

Esiste un grafico che consente di definire il campo di funzionamento per evitare il deterioramento dell’olio diatermico. Infatti, l’olio diatermico adottato è un fluido organico sintetico caratterizzato da un limite superiore di temperatura (di autoaccensione) di 375°C, e da un punto di iniziale ebollizione di 345°C.

Genericamente, gli olii diatermici commerciali di questa tipologia presentano massimi valori di temperatura operativa attorno a 290-400°C.

Nel caso specifico dell’impianto CSP di Ottana, per valori di DNI al di sotto di 200W/m2, la temperatura di 260°C non verrebbe mai raggiunta a causa delle perdite termiche.

Considerando che gli impianti solari a concentrazione utilizzano il sole some fonte di energia, e nello specifico la componente diretta della radiazione solare, è di notevole interesse4 conoscere le variazioni di temperatura che possono essere causate dal passaggio più o meno prolungato di corpi nuvolosi. Il profilo di temperatura che si realizza in ciascuna linea di campo solare durante la sua piena operatività presenta un andamento fondamentalmente lineare fra la sezione di ingresso e quella di uscita.

Nel momento in cui la DNI si annulla a causa del passaggio di una nuvola, il profilo di temperatura lungo la linea si modifica in modo sostanziale in funzione della durata della nuvolosità e della portata che scorre nelle linee del campo solare. La portata continua a fluire dal serbatoio freddo, con una temperatura costante e pari a 150°C.

Naturalmente, le perdite termiche introducono delle lievi ulteriori diminuzioni della temperatura. E così per una portata di 2kg/s ed una nuvola avente una durata di tre minuti, si realizzerebbe una diminuzione della temperatura di uscita pari a circa 60°C, laddove con una portata di 0,5kg/s tale riduzione sarebbe pari a circa 20°C.

Nel momento successivo al passaggio del corpo nuvoloso, l’irraggiamento riprende immediatamente il suo valore, e il profilo di temperatura che si realizza nella linea si riporta all’andamento nominale (in questo caso dopo circa 7 minuti dal passaggio della nuvola).

 

Conclusioni

I risultati discussi suggeriscono che, durante una generica notte, dopo 3 ore di assenza di irraggiamento, la temperatura dell’olio è al di sotto di 50°C e dopo 4 ore essa è uniforme ed uguaglia la temperatura ambiente. Per quanto riguarda la fase di riscaldamento del campo solare, invece, essa può durare da 45 minuti fino a circa 2 ore, a seconda dell’irraggiamento incidente.

L’influenza delle nuvole non è trascurabile e riduce notevolmente la temperatura in uscita dal campo, a meno di regolare la portata che fluisce nel campo solare. Dopo il passaggio dei corpi nuvolosi, il tempo necessario per ripristinare il profilo di temperatura nominale lungo l’asse dipende dall’irraggiamento e dalla portata che fluisce nelle tubazioni.

 

Per. Gabriele Uberti

 

Definizioni

CSP (Concentrating Solar Power):Energia solare concentrata (chiamato anche solare a concentrazione , concentrazione solare termica , e CSP ) sistemi generare energia solare utilizzando specchi o lenti per concentrare una grande area di luce solare, o l'energia solare termica , su una piccola area. Elettricità viene generato quando la luce concentrata viene convertita in calore, che aziona un motore termico (di solito una turbina a vapore ) collegato ad un elettrico generatore di energia  o alimenta un termochimico reazione

CPV (Concentrating photo-Voltaic):  è un fotovoltaico tecnologia che genera energia elettrica dalla luce solare. Contrariamente ai tradizionali sistemi fotovoltaici , utilizza lenti specchi curvi per mettere a fuoco la luce solare su piccola, ma altamente efficiente, multi-giunzione (MJ) celle solari . Inoltre, sistemi CPV utilizzano spesso inseguitori solari e talvolta un sistema di raffreddamento per aumentare ulteriormente l'efficienza.

kWe: l'unità kWe (e i suoi multipli MWe e GWe) si usano per indicare la potenza elettrica prodotta da una centrale, distinguendola da quella meccanica in uscita dalle turbine, e da quella termica sviluppata in caldaia.

Lenti Fresnel: Una lente di Fresnel è un tipo di lente inventata dal fisico Augustin-Jean Fresnel nel 1827, originariamente per l'impiego specifico nei fari per la navigazione, caratterizzata da uno spessore totale ridotto che permette la costruzione di ottiche meno ingombranti. Lenti di Fresnel vengono usate nei settori più disparati, dai mirini di alcune fotocamere, a sistemi di ingrandimento per grandi superfici, come interi fogli, ai lunotti posteriori ad effetto grandangolare di veicoli, e in questo caso si tratta di lenti negative, ed altro.

Radiazione solare: La radiazione solare è l'energia radiante emessa nello spazio interplanetario dal Sole, generata a partire dalle reazioni termonucleari di fusione che avvengono nel nucleo solare e che producono radiazioni elettromagnetiche a varie frequenze o lunghezze d'onda, le quali si propagano poi nello spazio alle velocità tipiche di queste onde, trasportando con sé energia solare.

Direct Normal Irradiance: L'irraggiamento diretto ricevuta su un piano normale al sole, chiamato irraggiamento normale diretta (DNI), è di particolare importanza per le tecnologie solari a concentrazione, tra cui concentrazione impianti termici solari e fotovoltaici concentrati

Archimede Solar Energy: Archimede Solar Energy (ASE) una società del Gruppo Angelantoni Industrie S.p.A. e partecipata da Chyioda Corporation è tra i leader mondiali nella produzione di tubi ricevitori per centrali solari termodinamiche a collettori parabolici lineari. I ricevitori sviluppati e prodotti da Archimede Solar Energy, con il contributo di ENEA, sono progettati per operare ad elevate temperature (fino a 580°C) con tutti i tipi di fluido termo-vettore impiegati per il funzionamento delle grandi centrali solari termodinamiche oggi in esercizio.

ORC (Organic Rankine Cycle): Col termine Organic Rankine Cycle o in sigla ORC(taducibile in italiano come: Ciclo Rankine Organico) si individuano impianti che convertono calore in energia elettrica mediante un ciclo Rankine che utilizza una sostanza organica ad alto peso molecolare come fluido di lavoro. Le caratteristiche del fluido di lavoro consentono di sfruttare piccoli salti entalpici a temperature medio-basse dove il ciclo Rankine a vapor d'acqua avrebbe limiti nel disegno della turbina o nei costi di impianto e di esercizio.

Condensatore: è un particolare scambiatore termico che ha lo scopo di condensare una sostanza o una miscela, ovvero portarla dallo stato gassoso allo stato liquido, in genere per raffreddamento (diminuzione della temperatura).Il condensatore è attraversato da un fluido refrigerante, che ha il compito di sottrarre calore latente alla sostanza che si vuole condensare.I condensatori possono avere delle dimensioni molto variabili, e trovano impiego in molti campi: vengono utilizzati in ambito domestico (ad esempio nei congelatori), in ambito di industriale (ad esempio nelle operazioni di distillazione e in generale nella termoregolazione industriale) e in laboratorio.

 

Conservazione dell’energia: In fisica, la legge di conservazione dell'energia è una delle più importanti leggi di conservazione osservata nella natura. Nella sua forma più studiata e intuitiva questa legge afferma che, sebbene l'energia possa essere trasformata e convertita da una forma all'altra, la quantità totale di essa in un sistema isolato non varia nel tempo

Primo principio della termodinamica (per sistemi aperti): Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo avviene una trasformazione che porta a uno stato di equilibrio nel quale sono uguali le temperature dei due corpi. Per spiegare questo fenomeno gli scienziati del XVIII secolo supposero che una sostanza, presente in maggior quantità nel corpo più caldo, passasse nel corpo più freddo. Questa sostanza ipotetica, detta calorico, era pensata come un fluido capace di muoversi attraverso la massa chiamata impropriamente materia. Il primo principio della termodinamica invece identifica il calore come una forma di energia che può essere convertita in lavoro meccanico ed essere immagazzinata, ma che non è una sostanza materiale. È stato dimostrato sperimentalmente che il calore, misurato originariamente in calorie, e il lavoro o l'energia, misurati in joule, sono effettivamente equivalenti. Ogni caloria equivale a 4,187 joule.

Il primo principio è dunque un principio di conservazione dell'energia. In ogni macchina termica una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro: non può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia. Una simile macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il cosiddetto moto perpetuo di prima specie.

Il primo principio viene tradizionalmente enunciato come:

La variazione dell'energia interna di un sistema termodinamico chiuso è uguale alla differenza tra il calore fornito al sistema e il lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente.

La corrispondente formulazione matematica si esprime come:

ΔU = Q - L

dove U è l'energia interna del sistema, Q il calore fornito al sistema e L il lavoro compiuto dal sistema.

Per energia interna si intende la somma delle energie cinetiche e di interazione delle diverse particelle di un sistema. Q è il calore scambiato tra ambiente e sistema (positivo se fornito al sistema, negativo se invece ceduto dal sistema) e L il lavoro compiuto (positivo se compiuto dal sistema sull'ambiente, negativo invece se compiuto dall'ambiente sul sistema). La convenzione dei segni risente del legame con lo studio dei motori termici, nei quali il calore viene trasformato (parzialmente) in lavoro.

Formulazioni alternative ed equivalenti del primo principio sono:

Per un sistema aperto, q-w=ΔE, ove per ΔE si intende la variazione di energia totale, che altro non è che la somma delle variazioni dell'energia interna, dell'energia cinetica e dell'energia potenziale possedute da quel sistema. Si vede che per un sistema chiuso le variazioni di energia cinetica e potenziale sono nulle per cui ci si riconduce alla relazione precedente.

Per un ciclo termodinamico, q=w, dal momento che la variazione di energia totale è nulla, dovendo il sistema, al termine di ogni ciclo, ritornare nelle stesse condizioni di partenza.

Fonte: Wikipedia

Incidence Angle Modifier (AIM): angolo di incidenza per collettori solari termici

 

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