Studio di un impianto solare a concentrazione per un edificio residenziale con accumulo termico a PCM applicato a un ORC = Study of a concentrating solar plant for a residential building with PCM thermal storage applied to an ORC

Il lavoro di questa tesi tratta della progettazione di un impianto per edificio residenziale, che provveda alla produzione integrata di energia termica ed elettrica. L’impianto sfrutta la concentrazione solare a media temperatura (80-250 °C) per immagazzinare energia termica in un accumulo con PCM. La presenza dell’accumulo permette l’utilizzo a intermittenza dell’energia termica per fornire, anche quando non è presente irradianza solare, energia sufficiente per il funzionamento del ciclo ORC. Nei primi capitoli vengono esposti i concetti teorici dei tre elementi che costituiscono l’impianto. Inizialmente si introduce l’uso dell’energia solare concentrata (Capitolo 1) descrivendo la radiazione solare incidente sulla Terra, le tecnologie di concentrazione solare e i fattori che influenzano il rendimento di un collettore solare. Si espongono, poi, le diverse tipologie di accumuli termici (Capitolo 2), i loro benefici e le loro limitazioni. Particolare attenzione viene posta all’accumulo termico tramite materiale a cambiamento di fase (PCM), ai materiali utilizzabili e alle tecnologie per migliorare lo scambio termico e ridurre le dispersioni di calore. Infine, vengono richiamati i principali concetti sul Ciclo Rankine a fluido Organico (Capitolo 3) e analizzati i vantaggi rispetto a un Ciclo Rankine tradizionale. Il Capitolo 4 riguarda la parte sperimentale su un concentratore solare a disco parabolico accoppiato ad un ricevitore ceramico. Tramite il software Comsol Multhiphysics si sono creati modelli previsionali per stimare il funzionamento del concentratore solare, confrontando i risultati ottenuti con quelli ricavati sperimentalmente su un CSP, posizionato sul tetto dell’Energy Center, a Torino. Un primo modello permette di simulare la traiettoria dei raggi sul concentratore attraverso il metodo Monte Carlo. Da qui è possibile ricavare la distribuzione del flusso incidente sul ricevitore e ricavare una media da inserire in un secondo modello che tiene conto delle dispersioni termiche dovute all’esposizione del sistema in atmosfera. Da questi valori è possibile identificare le prestazioni ottiche e termiche del concentratore che permettono di ricavare la produttività media stagionale sfruttando i dati forniti da una stazione meteorologica. L’ultimo capitolo riguarda la progettazione dell’impianto: si sono selezionati i materiali da utilizzare per avere alte prestazioni tecnico-economiche e dimensionati secondo le ipotesi fatte. Per il dimensionamento si è ipotizzata la quantità necessaria di acqua calda sanitaria in un condominio da 6 alloggi e si è supposto che tutta l’energia termica dovesse provenire dal condensatore del ciclo ORC. Da qui si è potuto scegliere il fluido circolante nell’impianto di produzione di energia e la potenza termica da fornire all’evaporatore, tramite un codice Matlab, collegato con la libreria CoolProp che permette di ricavare i valori termodinamici dei fluidi analizzati. L’energia viene fornita tramite un PCM proveniente da un accumulo termico, dimensionato opportunamente e alimentato dal concentratore solare.