Scuola di Dottorato in Scienze dell Ingegneria

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1 Università degli studi di Trieste Scuola di Dottorato in Scienze dell Ingegneria Indirizzo in Ingegneria Meccanica, Navale, dell Energia e della Produzione XXVII ciclo Report sull attività svolta nel corso del I anno sul tema: Progettazione ed ottimizzazione delle macchine e dei sistemi energetici Dottorando: ing. Stefano Alessandrini Supervisore: Prof. Diego Micheli

2 1 Introduzione Nella presente relazione si illustra l attività complessivamente svolta durante il primo anno del XXVII ciclo della Scuola di Dottorato in Scienze dell Ingegneria indirizzo ingegneria meccanica, navale, dell energia e della produzione, nell ambito specifico della progettazione e dell ottimizzazione delle macchine e dei sistemi energetici. Lo scopo principale dell attività del primo anno è stato quello di comprendere le caratteristiche e le potenzialità di alcuni sistemi di generazione elettrica distribuita ad alta efficienza e con bassi livelli di emissioni inquinanti, basati su fonti tradizionali e/o rinnovabili, e di familiarizzare con la normativa tecnica ad essi dedicata. Il lavoro è stato anche oggetto di presentazione alla comunità scientifica al Congresso Nazionale ATI 2012, tenutosi a Trieste. 2 Ambiti di ricerca Il lavoro è stato condotto presso il laboratorio LIDEA, e ha riguardato lo studio teorico e la valutazione delle prestazioni e la simulazione di alcuni sistemi energetici installati presso il campus di Basovizza di Area Science Park. Nel dettaglio, gli oggetti di studio sono stati: - un impianto cogenerativo con motore a combustione interna alimentato a gas naturale (Energifera - Tema100); - un sistema cogenerativo basato su due microturbine (Turbec T100 PH) alimentate a gas naturale o all occorrenza con miscele di gas sperimentali; - due impianti fotovoltaici con moduli in silicio monocristallino (Sanyo, Sunpower); - un impianto fotovoltaico con moduli a film sottile in CIGS (Miasolè). La simulazione ha riguardato, per ora, solo l impianto cogenerativo con la macchina Tema100 e quello fotovoltaico con moduli Sanyo che, in accordo con gli obiettivi del progetto Enerplan, sono stati installati per lavorare in modo integrato. 2.1 Gli impianti fotovoltaici Principale oggetto di studio del primo anno di corso è stata la valutazione delle prestazioni dei tre impianti fotovoltaici installati presso l Area Science Park a Basovizza, due dei quali entrati in funzione nell ottobre 2011 (Sanyo, Sunpower), il restante nel luglio 2012 (Miasolè). 2

3 A fronte di uno studio teorico sulla conversione energetica basata sull effetto fotovoltaico e sulla la normativa riguardante la valutazione delle prestazioni degli impianti fotovoltaici, l analisi si è sviluppata seguendo le linee guida reperite nei riferimenti bibliografici citati in [1]. Gli impianti a disposizione sono equipaggiati con sistemi di monitoraggio in grado di acquisire le principali grandezze che sono state necessarie alle analisi previste, in particolare: le grandezze in corrente continua, misurate tra pannelli fotovoltaici ed inverter, i parametri ambientali necessari alla valutazione della potenza radiante, i sensori di temperatura dei pannelli. Assieme alla raccolta e all analisi dei dati ottenuti dai suddetti sistemi di monitoraggio, sono in fase di raccolta e di elaborazione anche i dati rilevati da una centralina meteorologica, situata sulla medesima copertura di installazione di uno dei tre impianti fotovoltaici, acquisiti mediante software sviluppato in Labview NI. L integrazione e la correlazione tra i due set di dati sarà oggetto di studio nel corso del secondo anno di dottorato. L elaborazione dei dati, acquisiti grazie ai sistemi di monitoraggio dei tre impianti fotovoltaici, è stata effettuata mediante opportuni tools sviluppati in ambiente Matlab. E stata individuata una procedura di analisi e filtraggio dati atta al confronto diretto tra le prestazione dei tre impianti, ciascuno dei quali è diverso dagli altri in termini di taglia, di tipologia di moduli installati ed orientamento degli stessi, e di esposizione agli eventi atmosferici. In questa configurazione sperimentale, la necessità di individuare dei criteri di elaborazione e filtraggio dati, ben definiti e coerenti con la normativa di riferimento [3], ha permesso di creare alcuni strumenti utili alla valutazione generale degli indici di prestazione degli impianti fotovoltaici operanti in condizioni reali, soddisfacendo gli obiettivi di ricerca che ci si era preposti di raggiungere. 2.2 La macchina cogenerativa Energifera Tema100 Nell ambito del progetto Enerplan è stato studiato il comportamento della macchina cogenerativa marca Energifera modello Tema100. La macchina è composta da un motore a combustione interna di derivazione marina accoppiato ad un generatore elettrico della potenza nominale di 80 kw e e in grado di produrre in assetto cogenerativo 170 kw t. La caratteristica principale del gruppo è la regolazione a velocità variabile, che richiede un sistema di doppio condizionamento elettronico della potenza mediante raddrizzatore/inverter, ma che consente di mantenere quasi inalterato il rendimento elettrico al variare del carico. Il sistema è interfacciato con uno dei tre impianti fotovoltaici 3

4 sopracitati. Il funzionamento del gruppo può essere impostato in parallelo alla rete oppure in isola, per la conduzione di prove sperimentali in condizioni ripetibili e controllate. L indagine sperimentale ha riguardato il rilievo di numerosi dati funzionali ed il calcolo dei rendimenti elettrici e termici in diversi assetti operativi. Inoltre è stato realizzato un modello di simulazione, tramite il tool di Matlab Simulink, utile per valutare le prestazioni tecnico economiche del sistema integrato e per condurre analisi sul comportamento dinamico del sistema in presenza di diverse strategie di controllo. Il modello potrà essere uno strumento utile nella fase di progettazione preliminare di sistemi cogenerativi di piccola taglia che integrano diverse tipologie di generazione elettrica e termica mediante fonti tradizionali e/o rinnovabili [2]. 2.3 Le Microturbine Turbec T100 PH L impianto è composto da due macchine Turbec T100 modello PH, poste in assetto cogenerativo ed alimentate a gas naturale, denominate MTG1 (targa 10242) ed MTG2 (targa 10243). Quest ultima è la macchina ad uso sperimentale del Laboratorio LIDEA. Essa è stata strumentata con sensori supplementari che permettono di calcolare con precisione l efficienza della macchina in varie condizioni operative e con vari tipi di combustibili. Le attività previste in sede di collaudo hanno permesso di verificare il corretto funzionamento di entrambi i gruppi con microturbina a gas durante il funzionamento continuativo a carico massimo e a carico parziale. Uno degli obiettivi dell attività sperimentale futura sarà quello di testare le prestazioni della MTG2 in diverse condizioni di carico elettrico e termico imposti correlandoli opportunamente con i valori di emissioni registrati durante le prove, utilizzando combustibili diversi dal gas naturale. 3 Attività di ricerca futura Durante il prossimo anno di dottorato, ed in quello a seguire, proseguiranno le attività di monitoraggio già in corso e contestualmente ad esse, le analisi dei dati relativi agli impianti fotovoltaici, alle macchine cogenerative, e alla centralina meteorologica. Tra gli scopi di questa ricerca c è anche quello di valutare il decadimento di prestazioni dovuto all usura dei componenti dei suddetti sistemi. Inoltre, così come è stato fatto per l impianto cogenerativo con motore a combustione interna, anche l impianto basato su microturbine sarà oggetto di simulazione, al fine di 4

5 estendere il ventaglio tecnologico predittivo delle prestazioni di impianti per la microgenerazione distribuita basati su fonti energetiche convenzionali e/o rinnovabili. Quindi, essendo auspicabile una sempre maggior produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili distribuita sul territorio, si è deciso di dedicare particolare attenzione allo studio di un impianto di produzione dell energia elettrica basato su ciclo ORC alimentato da un sistema solare termodinamico. 4 Attività didattica e di divulgazione scientifica - Tre lezioni sulle celle a combustibile rivolte ad allievi delle scuole superiori in visita al laboratorio LIDEA. - Servizio di guida tecnico scientifica per personale proveniente sia dal mondo della ricerca sia dal mondo industriale in visita agli impianti Enerplan. - Imparare Sperimentando: edizione 2012 dedicata alle nanotecnologie. Con sede operativa Pordenone sono stati allestiti due esperimenti e contestualmente è stato prestato servizio di divulgazione scientifica ai visitatori (3 giorni). In tale occasione è stato preparato un poster illustrativo visibile in [4]. - Lezione sul fotovoltaico con esercitazione pratica nel corso di Impiego Industriale dell Energia del Prof. Rodolfo Taccani, la lezione si terrà il giorno 4 dicembre Presentazione di una memoria al Congresso Nazionale ATI 2012 tenutosi a Trieste [1]. 5 Attività formativa - Corso software sulle applicazioni in controllo remoto sviluppate in ambiente Labview: il corso si è svolto nella sede IRS di Padova (10 ore). - Corso software LMS Imagine.Lab AMESim: sviluppatosi nell arco di tre giorni e tenutosi presso la sede LMS di Novara; sono state acquisite competenze di base (8 ore) e competenze rigurdanti la libreria Hydraulic (16 ore). - Conferenza ECOS 2012 Perugia. - Congresso ATI 2012 Trieste. - Corso di teoria dei sistemi e del controllo (1 semestre anno accademico , Prof. Thomas Parisini). 5

6 - Seminari nell ambito del progetto Imprenderò: Organizzare l impresa, I segreti del public speaking. 6 Contributi in Atti di convegno [1] Alessandrini S., Casula I., Micheli D., Radu R., Analisi delle prestazioni di campi fotovoltaici in condizioni operative caratterizzate da bassi valori di irraggiamento, 67 Congresso Nazionale ATI, Trieste, [2] Alessandrini S., Casula I., Micheli D., Radu R., Analisi delle prestazioni di un gruppo integrato cogeneratore con motore a gas e pannelli fotovoltaici, 67 Congresso Nazionale ATI, Trieste, Altri riferimenti [3] CEI EN 61724: , Rilievo delle prestazioni dei sistemi fotovoltaici, linee guida per la misura, lo scambio e l analisi dei dati. [4] Allegato 1: Dalle nanoparticelle a casa nostra risparmiando energia ed inquinando meno, Poster,