Laboratori del DIMCM per lo studio e la sperimentazione di sistemi di accumulo dell’energia...

REPUBBLICA ITALIANA

Cagliari, 20 novembre 2015

Laboratori del DIMCM per lo studio e la sperimentazione di sistemi di

accumulo dell’energia termica

Prof. Ing. Giorgio Cau

Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali

Università di Cagliari

http://europa.eu/index_it.htm

http://europa.eu/index_it.htm

Sistemi a calore sensibile (“Sistemi a termoclino”)

Sistemi a calore latente (Sistemi a “PCM”, Phase Change Materials)

RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

Calore sensibile – “Sistemi a termoclino”

Sistemi di accumulo a termoclino in letti di materiale solido impaccato con

fluidi termovettori (HTF) gassosi

Studi sperimentali e numerici sulla formazione del termoclino e sulle

prestazioni dei sistemi di accumulo termico

Valutazione delle prestazioni durante cicli ripetuti di carica e scarica

Identificazione dei criteri ottimali di gestione e controllo dei processi di

carica/scarica

Valutazione sperimentale delle prestazioni di prototipi


Impianto a circuito aperto con aria come HTF

Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF

IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI

A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

Impianto a circuito aperto con aria come HTF

Altezza e diametro del letto di materiale solido: 1.8 – 0.58 m

Materiale solido: sferette di allumina, diametro 7-9 mm

Capacità di accumulo: fino a 72 kWh

Potenza termica (in carica): fino a 70 kW

Temperatura massima dell’HTF: 300 °C

Pressione atmosferica

Inverter

PID̴

400 V

Q

ScrewCompressor255 – 940 m3/h

CompressorControl Panel

HeaterControl Panel Electric Heater

70 kW, 25 - 300°C

Insulatedsteel tank

TQ PQ

Thermocouples

NI cDAQ

TD

TC

V1

V3

V2

Vent

Vent

PB



Sferette di allumina sinterizzata

Diametro:7-9 mm

Diametro interno del serbatoio: 0.58 m

Altezza del letto: fino a 1.8 m

“Rack” termocoppie



Sono stati svolti studi sperimentali per indagare sull’influenza delle caratteristiche operative e

costruttive (portata massica di HTF, temperatura dell’HTF, “aspect ratio” del letto, ecc.) sulla

formazione del termoclino e sul comportamento del TES nel caso di cicli ripetuti di carica/scarica.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x/L

1/3 tch

2/3 tch

3/3 tch

3/3 tdisch

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

r/R

1/3 tch

2/3 tch

3/3 tch

3/3 tdisch

minmax

min

TT

TT

External

Wall

r/Rx/L

θθ

Charge

Discharge

BottomTop

Dimensionless temperature

Indicative of

the Useful

Energy

T=Tmin θ = 0

T=Tmax θ = 1

1/3

2/3 3/3

3/3



Gli studi sperimentali hanno evidenziato l’influenza della parete esterna del serbatoio sulla

distribuzione radiale di temperatura che incide sulla quantità di energia che può essere accumulata.

Questo aspetto è stato analizzato mediante modelli CFD 2-D and 3-D per una migliore previsione

del campo di temperatura del sistema e della sua evoluzione durante le fasi di carica/scarica.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fig. 4 Contour plots of tank temperature at interval of 1/5 of the overall time of charge




Altezza e diametro del letto: 0.9 – 0.30 m

Materiale solido: sferette di allumina, diametro 1.5-2.5 mm

Capacità di accumulo: fino a 5 kWh

Potenza termica (in carica): fino a 6 kW

Temperatura massima dell’HTF: 150 °C

Pressione massima dell’HTF: 5 bar



Diametro sferette:

1.5-2.5 mm 7-9 mm Compressore CO2

Diametro interno serbatoio: 0.30 m

Altezza del letto: fino a 0.90 m




Calore Latente – Sistemi con materiali a cambiamento di fase (PCM)

Scelta dei materiali (campo di temperatura di interesse, caratteristiche di fusione e solidificazione,

cicli termici, compatibilità con altri materiali, vita utile, etc.)

Sviluppo di sistemi di accumulo, attrezzature e dispositivi (analisi numerica, indagini sperimentali,

modelli di simulazione)

Valutazione del decadimento delle prestazioni durante cicli ripetuti di carica e scarica

Identificazione dei criteri ottimali di gestione e controllo dei processi in funzione del tipo di PCM e

dell’applicazione

Ottimizzazione delle prestazioni mediante tecniche di miglioramento dello scambio termico

Valutazione sperimentale delle prestazioni di prototipi


Sistema di accumulo a PCM – configurazione a “tubi e mantello”

Capacità di accumulo: ≈ 6 kWh

Temperatura di carica dell’HTF: 200 °C

Temperatura a fine scarica dell’HTF: 100 °C

PCM: Hydrochinone

Massa di PCM: 104 kg

Superficie di scambio termico: 2.49 m2

Lunghezza: 2.44 m

Diametro: 0.254 m

Numero di tubi: 17

Processo di carica Processo di scarica


Sistema di accumulo a PCM – configurazione a “tubi e mantello”

Capacità di accumulo: ≈ 3 kWh

Temperatura di carica dell’HTF : 180 °C

Temperatura a fine scarica dell’HTF: 100 °C

PCM : Mannitol

Massa di PCM:

Caso 1: 23.4 kg

Caso 2: 23.4 kg

Caso 3: 22.8 kg

Superficie di scambio termico :

Caso 1: 0.077 m2

Caso 2: 0.568 m2

Caso 3: 0.730 m2

Case 1 Case 2 Case 3

Caso 1 – Doppio tubo

Caso 2 – Scambiatore “triplex”

Caso 3 – “triplex” con alette circolari


Caso 1 – Doppio tubo

Caso 2 – Scambiatore “triplex”

Caso 3 – “triplex” con alette circolari

Charge process Discharge process

Profili di temperatura


Case 3Case 2Case 1

Evoluzione delle fasi – Processo di scarica

Zona rossa: PCM solido

Zona blu: PCM liquido


Evoluzione delle fasi – Processo di carica

Zona rossa: PCM solido

Zona blu: PCM liquido

Case 1 Case 2 Case 3


Potenza elettrica in carica (EH): fino a 40 kW

Potenza termica in scarica (CHE): 170 kW

Capacità di accumulo dei PCM-TES: fino a 300 kWh

Temperatura massima dell’HTF: fino a 350 °C

IMPIANTO DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI DI ACCUMULO

TERMICO A PCM E DI ALTRI SISTEMI DI ACCUMULO DIRETTO E INDIRETTO

Prototipo di accumulatore a PCM del tipo a “tubi e mantello”

Temperatura di fusione: 167 °C

Capacità di accumulo: 5.7 kWh

IMPIANTO DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI DI ACCUMULO

TERMICO A PCM E DI ALTRI SISTEMI DI ACCUMULO DIRETTO E INDIRETTO

Modellazione, progetto, simulazione, previsione delle prestazioni e

ottimizzazione di:

Collettori solari e campi solari a concentrazione

Impianti motori a vapore per applicazioni CSP

Impianti motori a fluido organico (ORC) per applicazioni CSP

Integrazione di impianti CSP e impianti a combustibili fossili (incluse le CCS)

Accumulo dell’energia termica

Supporto tecnico-scientifico al progetto degli impianti CSP sperimentali nelle aree

industriali di Ottana, Villacidro e Tortolì (campo solare, motore termico e sistema

di accumulo termico)

Supporto tecnico-scientifico alla sperimentazione e alla gestione dell’impianto CSP

di Ottana

ATTIVITÀ DI RICERCA SUGLI IMPIANTI SOLARI A CONCENTRAZIONE (CSP)

Impianto sperimentale di Ottana

Superficie di raccolta: 8.400 m2

Potenza termica del campo solare: 4.690 kWt

Accumulo termico: 14.7 MWh (2 serbatoi C/F)

Potenza del motore ORC: 600 kWe

Potenza del CPV: 400 kWe

Accumulo elettrico: batterie SoNick, 430 kWh

ATTIVITÀ DI RICERCA SUGLI IMPIANTI SOLARI A CONCENTRAZIONE (CSP)

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