Il CSP in Puglia: il Pogetto Laboratorio Solare

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1 Il CSP in Puglia: il Pogetto Laboratorio Solare Prof. Ing. Arturo de Risi Università del Salento - Dipartimento di Ingegneria dell Innovazione

2 I partner del progetto SOLAR Università del Salento - Centro Ricerche Energia e Ambiente - Dipartimento di Ingegneria dell Innovazione (DII) - (COORDINATORE) CNR-IMM - Lecce Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica (DEE) - Politecnico di Bari Dipartimento di Ingegneria Industriale e Meccanica (DIIM) - Università degli Studi di Catania COG Srl - Lecce Costruzioni SHAP Solari Srl - Cavallino (LE) Spa - Lecce STC Srl Mesagne (BR) TCT Srl - Brindisi Turboden Srl - Lecce

3 Missione del Progetto SOLAR Avanzamento della ricerca scientifica/industriale e dello sviluppo tecnologico nell ambito del Solare Termico ad alta temperatura Creazione di un centro di ricerca di riferimento sulle tecnologie legate al solare termico Soluzioni tecnologiche Innovative e Attuabili per la generazione diffusa da fonte solare Supporto alla comunità scientifica/industriale nazionale ed Internazionale Infrastrutture avanzate Multidisciplinarità delle competenze Alta formazione Formazione su applicazioni industriali innovative

4 Lo Stato dell Arte Impatto ambientale Elevati costi di impianto Gestione sistemi di accumulo 10 MWe a Barstow, California (Fonte: Ren. Ener. World, 2000)

5 Principali Innovazioni Tecnologiche Nuovi fluidi vettori termici Nuovo sistemi concentratori/collettori Analisi e ottimizzazione di innovativi vettori termici Analisi e ottimizzazione di tubi ricevitori modificati Ottimizzazione Cicli termodinamici per lo sfruttamento del solare termico ad alta temperatura Nuovi approcci ai sistemi di stoccaggio termico/chimico Analisi e ottimizzazione di materiali solidi per lo stoccaggio termico per il superamento dei transitori Studio del comportamento termo-fluido-dinamico dei sistemi di stoccaggio termico e chimico

6 Nuovi Fluidi Vettori Termici La necessità di sostituire i Sali Fusi impone lo sviluppo di soluzioni alternative compatibili con la generazione diffusa. Studi preliminari hanno dimostrato che è possibile aumentare la conducibilità termica di un fluido disperdendo in esso nanoparticelle. Ad oggi non sono ancora completamente noti gli effetti dovuti a dispersione dimensionale, morfologia e proprietà ottiche delle nanoparticelle.

7 Misura della Conducibilità termica - Transient Method La misura consiste nel far passare in un filo di platino un impulso di corrente e rilevare l evoluzione della temperatura nel tempo ad esso conseguente. T2 T1 = T2 T1 = t q ln 2 4π λ t1

8 TRANSIENT METHOD d T q = ε = d ln t 4π λ Scambio termico Convettivo 2 r0 d ln t α = exp T + 0,5772 4t d T Calore specifico non nullo

9 Test su diverse tipologie di nanoparticelle Densità (g/cm3) Code Aluminium oxide NanoTek 99,5% nm Al2O3 3,97 Copper (II) oxide NanoArc 97,5%23-37nm CuO 6,50 Iron (III) oxide Industrial NanoArc20-40nm Fe2O3 5,24 Tin (IV) oxide NanoTek 22-43nm SnO2 6,95 Zinc oxide NanoGard low lead 99% nm ZnO 5,60 Titanium oxide <100 nm TiO2 3,80 P Titanium oxide <25 nm TiO2 4,00 R B E G I M

10 Temperatura di misura ( C) Fluido Temperatura di misura ( C) NANOFLUID BASED knanofluido/kfluido base, Δk Conducibilità termica, k [mw/m C] TH66 123,64 121,30 119,30 117,97 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 M 0.1 TH66 124,36 122,52 120,63 118,75 1,0058 1,0101 1,0111 1,0066 M 0.3 TH66 126,72 124,08 121,66 119,98 1,0249 1,0229 1,0198 1,0170 M 0.7 TH66 129,26 126,41 124,24 122,64 1,0455 1,0422 1,0414 1,0396 M 1.0 TH66 131,66 129,58 127,47 125,22 1,0648 1,0683 1,0685 1, TH66 M 0.7 TH M 0.1 TH66 M 1.0 TH66 THERMINOL 66 E +(ZnO) M 0.3 TH C 30 C 40 C 50 C l/o 124 ] /K W [m Temperatura di misura ( C) Frazione di volume di nanparticelle (%) 1 1.1

11 Conviene usare i nano-fluidi per migliorare di un qualche percento la conducibilità termica? Si consideri un nanofluido con una concentrazione di particelle di 20 nm al 5% che scorra in un condotto di diametro 5 cm S particle S duct 10 6 Da un bilancio energetico, nell ipotesi che tutte le particelle partecipino al processo di scambio termico si ottiene: Q particle Q duct

12 Linee di sviluppo 1. nanoparticelle sferiche di dimensione controllata nel range 3-20 nm; 2. nanoparticelle di forma controllata, in particolare fili con diametro di qualche nanometro e lunghezza di qualche decina di nanometri; 3. determinazione della conducibilità termica e del coefficiente di scambio liminare di nanofluidi; 4. determinazione delle proprietà ottiche sia delle particelle che dei nanofluidi 5. compatibilità con tutti i componenti l impianto 6. Metodologie di produzione in larga scala Tutte le attività previste in questa linea di ricerca sono altamente innovative e consentiranno al laboratorio di diventare un CENTRO DI RIFERIMENTO sicuramente a livello EUROPEO e MONDIALE

13 A- Sintesi e caratterizzazione morfologica, strutturale ed ottica di nanoparticelle a base di: Metalli (Cu, Au, Ag) Ossidi di Metalli (TiO2, ZnO, Sn2O3, etc) CdSe dot B- Studio delle proprietà termiche del nanofluido al variare delle dimensioni delle nanoparticelle (diametro 3-20 nm), della loro forma (sferiche, cilindriche e multipods) e del rapporto di concentrazione volumetrica Volume-nanoparticelle/Volume-fluido C- ottimizzazione del concentratore solare. ZnO dots by IMM-Le ZnO nano-rods by IMM-Le

14 Esempio di sintesi e caratterizzazione strutturale ed ottica di nanoparticelle realizzata presso l IMM: (diametro 1-10 nm e δr ~ 5-10 %) Metalliche: Au, Cu, Ag Semiconduttori: CdSe, ZnSe, etc Ossidi: TiO2, ZnO, SnO2, etc

15 Nodi tecnologici da risolvere messa a punto e verifica del processo di produzione su larga scala delle nanoparticelle con i materiali più idonei allo scambio termico individuazione delle condizioni che consentano di ottenere la distribuzione morfologica che ottimizza lo scambio termico Sistemi di monitoraggio e rigenerazione dello stato di deterioramento e/o agglomerazione delle nanoparticelle.

16 Il Nuovo Concetto di Concentratori/Colletori Solari Riflettori innovativi impatto ambientale; a basso Specchio parabolico Coating protettivi per i collettori solari con elevati coefficienti di assorbimento (>0.9) e bassi coefficienti di emissione (<0.1); Materiali coibentanti per contenere le perdite radiative dei collettori; Sistema cavità-concentratore solare con elevata efficienza (>70%) ottimizzato per l uso delle nanoparticelle; Rivestimento in aereogel Cavità con concentratore parabolico

17 I Nostri Obiettivi Progettare e realizzare coating o materiali emissivi con elevati coefficienti di assorbimento e bassi coefficienti di emissione alle temperature di lavoro. Le performance richieste ad un buon assorbitore emettitore selettivo riguardano valori dei coefficienti di assorbimento superiori a 0.9 e dei coefficienti di emissione inferiori a 0.1. Progettare e realizzare materiali coibentanti con coefficienti di conduzione termica bassi e con proprietà ottiche dettate dal percorso imposto alla radiazione solare dal collettore stesso. I coefficienti di conduzione termica richiesti ad un buon isolante termico sono dell ordine di 0,01-0,02 W/ mk

18 Sviluppo di materiali e superfici emettitori ed assorbitori selettivi Ottimizzazione dell efficienza del collettore solare tramite il controllo delle proprietà di assorbimento e riemissione spettrale: Ricerca su materiali e trattamenti superficiali in grado di massimizzare la captazione solare minimizzando contemporaneamente la riemissione nell infrarosso

19 Filtro Interferenziale L effetto selettivo è dovuto alle riflessioni multiple che la radiazione subisce attraversando gli strati dielettrici Lo spessore degli strati di dielettrico determina la forma e la posizione della curva di riflettanza La tecnica del dip-coating consente di depositare film di spessore noto su superfici piane o curve e di forme complesse. Realizzato Simulato 8 Riflettanza(R%) Lunghezza d'onda(nm) Sistema interferenziale multistrato ad alto assorbimento nel visibile 800

20 Soluzioni tecnologiche per l ingegneria delle superfici - Le soluzioni che si intende investigare sono molteplici, tutte basate sull utilizzo della tecnica solgel e del dip coating per la deposizione: filtro interferenziale assorbitori selettivi intrinseci compositi metallodielettrico.

21 Compositi metallo-dielettrico per superfici a controllo solare Grazie all elevato indice di rifrazione anche materiali come TiO2 e ZrO2 additivati di metalli nobili come Au o Pd hanno mostrato proprietà selettive deposizione con tecnica sol-gel

22 Specchi e superfici autopulenti e fotocatalitici Sviluppo di trattamenti a base di titania (TiO2) nanostrutturata. Le proprietà di idrofilicità e fotocataliticità e la capacità di assorbire gli NOx e trasformarli in NO2 e HNO3, possono mantenere pulite le superfici senza alterarne le proprietà ottiche permettendo di minimizzare gli interventi di pulizia e manutenzione contribuire a ridurre l inquinamento atmosferico attraverso l abbattimento catalitico degli inquinanti atmosferici

23 Sviluppo di aerogel per dispositivi solari ad alto isolamento aerogel silicei materiali ad alta trasparenza nella regione spettrale di irraggiamento solare con una bassissima conducibilità termica. Ossidi con porosità superiore al 96% e conducibilità termica intorno a 0,001W/mK aerogel non trasparenti a base di ossicarburi possiedono una conducibilità termica ancora più bassa degli aerogel convenzionali ed eliminano ogni contributo di reirraggiamento alle alte temperature.

24 Nodi tecnologici da risolvere messa a punto e verifica del processo di deposizione individuazione delle condizioni di deposizione che consentono di ottenere film uniformi e integri individuazione degli spessori che consentono di ottenere i risultati migliori in termini di proprietà funzionali e ottiche.

25 Ottimizzazione dei cicli termodinamici e delle macchine per lo sfruttamento ideale del solare termico ad alta temperatura Impianti ORC: potenza termica entrante nella macchina pari a 400 kwth; rendimento di conversione da energia termica a energia meccanica > 0.25/0.30; tensione dell energia elettrica prodotta 400 V / 50 Hz, adatta per parallelo rete; temperatura nominale dell olio diatermico (ingresso / uscita): 400/150 C; potenza elettrica attiva netta: 100 kw; tempo di entrata a regime della macchina: < 30 min.; vibrazioni: < 10 g; emissioni di rumore: < 70 db; rendimento turbina: > 85%.

26 Sistemi di accumulo dell energia Accumulatori di energia termica: Gli accumulatori di energia termica a calore sensibile sfruttano la capacità termica di un materiale che funge da serbatoio di energia termica. Materiali impiegabili: - solidi (acciaio, granito); - Liquidi (gallio, sodio, ecc.). Accumulatori di energia chimica: Un sistema di accumulo basato sull idrogeno prevede un generatore di idrogeno gassoso alimentato dal sistema ad energia solare con la potenza prodotta in eccesso rispetto alla richiesta da parte dell utenza.

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