Tecnologie – Solare Termodinamico e TermicoTecnologie – Solare Termodinamico e Termico 1....
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Tecnologie – Solare Termodinamico e Termico
1. Principi 2. Tipologie
a) parabole lineari b) torri solari c) concentratori parabolici
3. Accoppiamento Solare Termodinamico – Dissalatori
4. Solare Termico
IV - 0
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Quadro generale
IV - 1
Solare Geotermica Gravitazionale
solare termodin.
foto- voltaico
fluidi caldi
vento maree
biomassa
osmosi salina
idro- elettrico
moto ondoso
gradienti temperat.
correnti marine
calore
luce
energia cinetica
materia
Energia naturale
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Principi
IV - 2
temperatura alla superficie del Sole
Efficienza: con:
η = ηrecettore × ηCarnot
ηrecettore =Qassorbito −Qperso
Qsolare
ηCarnot = 1− T0
TH
Qsolare = ηotticaICA
Qassorbito = αQsolare
Qperso = A�σT 4H
I = intensità del calore solare (W/m2) C = fattore di concentrazione A = area di raccolta della luce solare
ηottica = efficienza dell’ottica α = assorbanza collettore ε = emittanza collettore
(legge di Stefan-Boltzmann)
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Principi
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Efficienza: con:
η = ηrecettore × ηCarnot
ηrecettore =Qassorbito −Qperso
Qsolare
ηCarnot = 1− T0
TH
Qsolare = ηotticaICA
Qassorbito = αQsolare
Qperso = A�σT 4H
(legge di Stefan-Boltzmann)
Ponendo, per semplicità, ηottica=1, α=1, ε=1:
η =
�1− σT 4
H
IC
��1− T 0
TH
�
TH [K]
η
C=10 30 100 300 1000
5000
curva di massima efficienza
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Situazione reale
IV - 4
ηottica=0.75, α=0.95, ε=0.2
TH [K]
η
C=10 30 100
300
1000 5000
curva di massima efficienza
TH=450°C÷600°C concentratori lineari
TH=800°C÷1200°C concentratori puntuali
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Concetti
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Concentratori parabolici lineari
Concentratori a lenti di Fresnel
Concentratori parabolici
Torri solari
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Concentratori parabolici lineari
IV - 6
ENEA
Struttura (35% del costo): • rigidità • resistenza al vento • precisione geometrica elevata (mm) • basso costo e semplicità di montaggio su dimensioni tipiche di 5 m × 100 m Specchi (25% del costo): • autoportanti • alta riflettività Tubi collettori (25% del costo): • rivestimento ceramico-metallico ad elevata assorbanza della radiazione solare e bassa emissività di calore nell’infrarosso • rivestimento in vetro sotto vuoto (per ridurre lo scambio termico per convezione) • in grado di compensare le variazioni termiche Sistema di movimentazione (15% del costo): • precisione direzionale elevata (<1 mrad) • in grado di portare il collettore in posizione di sicurezza in caso di vento forte (>15 m/s)
Fluido di lavoro: olio a 300÷400°C
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Concentratori parabolici lineari
IV - 7
In funzione: 582 MW in Spagna 507 MW in USA
In progetto: 8 GW in USA 4.5 GW in Spagna 2.5 GW in Cina
ε=16%
IEA Tecnology Roadmap – Concentrating Solar Power
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Esempio
Fonte: http://www.enea.it/com/solar/doc/documenti.html IV - 8
Esempio: Progetto Archimede (ENEA)
Innovazione: uso di sali fusi in un sistema a concentratori parabolici per avere una migliore conservazione del calore per gestire l’intermittenza.
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Torri solari
Fonte: Abengoa Solar, Spagna IV - 9
Vantaggi: • Alte temperature (550°C con sali fusi) • Migliore conservazione dell’energia termica
Svantaggi: • Gestione dei sali fusi ad alta temperatura (congelamento a 220°C) • Problemi di copertura ed efficienza di riflessione
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Torri solari - Ivanpah
Fonte: www.brightsourceenergy.com IV - 10
Location: Ivanpah Dry Lake, CA Size: Approx. 14 km2 Power Production: 377 MW (Net) / 392 MW (Gross)
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Concentratori parabolici indipendenti
Fonte: Abengoa Solar, Spagna IV - 11
Vantaggi: • Utile quando manca la connessione in rete
Svantaggi: • Alto costo • Impossibile gestire l’intermittenza • Potenza limitata (<10÷20 kW)
Può essere accoppiato direttamente ad un motore di tipo Stirling, senza necessità di far circolare un fluido.
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Concentratori a lenti di Fresnel
Fonte: Abengoa Solar, Spagna IV - 12
Vantaggi: • semplicità meccanica • migliore uso del suolo
Svantaggi: • bassa temperatura (vapore) • tecnologia ancora non matura
elementi mobili in una direzione
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Utilizzo del calore - motori
IV - 13 Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, “Power From The Sun”, 2001
ciclo standard per un generatore a vapore
turbina a gas (motore a reazione)
ciclo Stirling (motore alternato a combustione esterna)
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Utilizzo del calore – ciclo Rankine
IV - 14 Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, “Power From The Sun”, 2001
Sistema standard per la produzione di elettricità da calore. Il fluido per il ciclo Rankine è prodotto per scambio di calore con il fluido collettore. Il tipo di fluido dipende dalla temperatura del fluido collettore.
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Utilizzo del calore – ciclo Stirling
IV - 15 Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, “Power From The Sun”, 2001
rigen
eraz
ione
cal
ore
Sostituisce il ciclo Rankine quando il sistema è a piccola scala (10÷20 kW). Fluido: elio (grande conducibilità termica) Alta efficienza: approssima il ciclo di Carnot con il rigeneratore.
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Operazioni
IV - 16 Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, “Power From The Sun”, 2001
1. Preriscaldamento al mattino (EP=energia spesa per il preriscaldamento).
2. Produzione di energia (QC) inferiore alla richiesta di rete.
3. Produzione di energia (QC=QL+QS) superiore alla richiesta di rete. L’eccesso viene stoccato (+QS).
4. Produzione di energia (QC=QL+QD) superiore alla richiesta di rete. L’eccesso viene buttato se il sistema di stoccaggio è saturo (QD).
5. Produzione di energia (QC) inferiore alla richiesta di rete.
6. Produzione di energia dallo stoccaggio (-QS).
7. Produzione di energia dal sistema ausiliario (QA).
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Stoccaggio calore
IV - 17 Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, “Power From The Sun”, 2001
Vasche isolate Stoccaggio chimico
Batterie Problemi: • costo • vita utile (numero di cicli di carica/scarica)
Problemi: • nessun processo attualmente provato in situazione commerciale
Processo Zolfo-Iodio (ENEA)
Sistema attualmente utilizzato in situazione commerciale
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Collettori non focalizzanti
IV - 18 Fonte: William B. Stine and Michael Geyer, “Power From The Sun”, 2001
Vantaggi: • costo • alta accettanza angolare
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Accoppiamento Solare Termodinamico/
Dissalatori
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Principio: utilizzare concentratori solari per produrre elettricità e calore con cui dissalare acqua (scarsa dove c’è una grande insolazione).
RO=Reverse Osmosis MED=MultiEffect Desalination
Fonte: Progetto AQUA-CSP, German Aerospace Center
Problema: la desalinizzazione richiede una fornitura continua di energia
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Collettore solare termico
IV - 20
Il sole scalda la piastra e quindi il fluido che, mediante tubi, viene portato all’esterno fino all’apparecchio utilizzatore (serbatoio di acqua).
Elementi: • lastra di vetro che fa passare le
radiazioni • Assorbitore - piastra di rame (buon
conduttore) in cui sono ricavati molti canali dove circola un fluido (acqua o aria)
• isolante termico, che impedisce la dispersione del calore
• contenitore che è semplicemente una scatola contenente tutti gli elementi precedenti
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Collettore solare termico
IV - 21
Il sole scalda la piastra e quindi il fluido che, mediante tubi, viene portato all’esterno fino all’apparecchio utilizzatore (serbatoio di acqua).
Elementi: • lastra di vetro che fa passare le
radiazioni • Assorbitore - piastra di rame (buon
conduttore) in cui sono ricavati molti canali dove circola un fluido (acqua o aria)
• isolante termico, che impedisce la dispersione del calore
• contenitore che è semplicemente una scatola contenente tutti gli elementi precedenti
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Un po’ di conti …
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Iinc = intensità solare (∼1 kW/m2)
τ = coefficiente di trasmissione del vetro (∼0,9) α = coefficiente di assorbimento (∼0,9) Tass
= temperatura dell’assorbitore (∼100°C) Tamb
= temperatura dell’ambiente (∼20°C) Ueff
= coefficiente di trasmissione termica del collettore (∼4x10-3 kW/m2K) Iperd
= Ueff(Tass - Tamb) = perdite del collettore per trasmissione (∼0,32 kW/m2) Icoll = Iinc
τ α - Iperd = intensità del collettore (∼0,49 kW/m2) A = area collettore (∼1 m2) m = massa d’acqua del serbatoio (∼100 litri = 100 kg) c = calore specifico dell’acqua ( = 4,186 kJ/kg K) ΔTserb = aumento di temperatura dell’acqua del serbatoio (∼40°C) Δt = (mcΔTserb )/(Icoll A) = 9.5 ore
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
0 20 40 60 80 100 120 140
η=I co
ll/I in
c (%
)
ΔTcoll/Iinc (K/kW/m2)
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Solare termico installato
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0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
MW
p cu
mul
ativ
o
Italia Germania