SolarBeam Concentrator La Parabola a Concentrazione Solare

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1 SolarBeam Concentrator La Parabola a Concentrazione Solare Approfondimenti e applicazioni dell innovativo sistema di produzione di Energia Solare Termica Ufficio tecnico e progettazione Ghibli Srl

2 Indice: Il SolarBeam... 2 Caratteristiche e comparazione con collettori piani... 2 Curva di prestazione del concentratore SolarBeam... 4 Le principali caratteristiche del SolarBeam... 6 Sistema di monitoraggio... 6 Test interni... 8 Esempi Caso studio 1: centro sportivo Caso studio 2: agriturismo

3 Il SolarBeam SolarBeam è una Parabola a Concentrazione Solare che utilizza il più efficiente sistema ad inseguimento solare disponibile sul mercato. La tecnologia della concentrazione solare (CSP) permette per mezzo di un grande piano di riflessione in alluminio anodizzato di riflettere e concentrare la luce solare direttamente nel punto focale. Le modalità di scambio termico, rendono il sistema completamente immune dal fenomeno della stagnazione, problema che al contrario affligge i pannelli solari termici. La Parabola è dotata di un sistema biassiale di inseguimento del sole la cui tecnologia consente di inseguire accuratamente il sole. Il sistema di inseguimento utilizza un unico algoritmo ithm e GPS che consente alla Parabola di inseguire il sole indipendentemente dalla stagione e massimizzare l efficienza di captazione della radiazione. Basandosi sul principio degli specchi ustori, il design è stato attentamente studiato per riflettere fino all 85% della luce all interno del punto focale. Una prossima versione del SolarBeam, prevederà un assorbitore con celle fotovoltaiche a tripla giunzione in grado di sviluppare 3,5 kw di Energia Elettrica rendendo la Parabola un Cogeneratore Solare Termico-Fotovoltaico. Caratteristiche e comparazione con collettori piani SolarBeam è il primo concentratore parabolico solare al mondo ad aver ottenuto la certificazione SRCC1 (SRCC 600 Standard). LE MIGLIORI EFFICIENZE TERMICHE: Raggiunge migliori efficienze termiche rispetto ad altre tecnologie a concentrazione solare parabolica. Infatti, SolarBeam, raggiunge picchi di 11,5 kw di potenza termica media annua raccogliendo la radiazione del sole su una superficie di 15,9 m2 e concentrandone l energia su un assorbitore di 25x25 cm. E stato progettato come un sistema ibrido a bassa manutenzione in grado di fornire temperature fino a 90 C per le seguenti applicazioni: Raffrescamento con chiller ad adsorbimento/assorbimento; Processi termici (riscaldamento); Futura produzione di elettricità con tecnologia fotovoltaica a concentrazione. Il Solar Beam può essere installato come installazione singola oppure multipla. 1 Solar Rating and Certification Corporation 2

4 PROGETTAZIONE E TEST DEL SISTEMA: Il sistema è stato testato nei freddi e rigidi inverni Canadesi riscontrando minime perdite di prestazioni rispetto ai suoi migliori parametri di riferimento. E stato progettato con componenti ed elettronica di ultima generazione, per essere in grado di mantenere la massima efficienza anche in critiche condizione climatiche determinate sia da alte temperature in ambiente che da climi rigidi e/o in presenza di carichi di neve. Di seguito sarà riportata l analisi delle prestazioni del SolarBeam comparata con altri due sistemi, strettamente basata sui dati dell SRCC per delta T operativi di: 0, 10, 30, 50, 60 C. Il confronto si basa sui dati per il Concentratore SolarBeam e sui rapporti SRCC per Heliodyne e Viessmann dove: Il modello Heliodyne N GOBI è un collettore piano vetrato; Il modello Viessmann N Vitisol 300T SP3 3m2 è un collettore a tubi sottovuoto. 3

5 Curva di prestazione del concentratore SolarBeam ELEVATE EFFICIENZE NEL RANGE DI TEMPERATURE: Rispetto ai collettori piani fissi, grazie al suo speciale sistema ad inseguimento biassiale, il concentratore SolarBeam opera sempre ad ottime efficienze. La curva di prestazione del SolarBeam fa vedere come il concentratore complessivamente conservi elevate efficienze all interno dell intero range di temperature. Al contrario come invece i pannelli a lastra piana e pannelli a tubi sottovuoto danno basse efficienze quando sono richieste alte temperature. Le curve di prestazione E importante notare che i dati sopra riportati si riferiscono all efficienza istantanea e non considerano l efficienza dell inseguimento del sole. In aggiunta all alta efficienza, il SolarBeam produce almeno il 30% in più di energia rispetto ai collettori solari piani, grazie all inseguimento biassiale del sole. In regioni geografiche dove si hanno basse temperature, i pannelli piani e i collettori a tubi sottovuoto hanno maggiori perdite di calore data la maggior dimensione della superficie assorbente. Il SolarBeam, al contrario, ha una superficie dell assorbitore di solo 0,0625 m2. 4

6 Le principali caratteristiche del SolarBeam PRODUZIONE DI ACQUA CALDA (Radianza pari a 1000 W/ m²) Potenza di picco 11.5 kw Potenza nominale 10.5 kw Solar Rating and Certification Corporation Efficiency 73% DIMENSIONI Diametro collettore 4.5 m Area collettore 15.9 m² Dimensioni assorbitore 25.4 cm X 25.4 cm Altezza palo 2.4 m PARAMETRI SOLARBEAM Grado di rendimento ottico 86% Inseguitore Due assi Volume di fluido nell assorbitore 550 ml Massima pressione di esercizio 1.72 bar Temperatura di stagnazione (Radianza pari a 1000 W/m² e temp. Amb. 30 C) 93 C Portata fluido /min Peso collettore [kg] 240 Peso totale [kg] 463 Massima temperatura assorbitore 145 C Massima temperatura fluido 93 C Fluido riscaldante Soluzione acqua/glicole propilenico (60%/40% fino a -18 ) ALIMENTAZIONE ELETTRICA Tensione 24 VDC Motore assi verticali 24W, 2A Motore assi orizzontali 12W, 0.5A Protezione IP66 SICUREZZE Posizionamento automatico nella posizione di sicurezza (90 - Asse verticale) Interruzione alimentazione elettrica Posizione di sicurezza Protezione sovratemperatura Posizione di sicurezza Protezione velocità vento Posizione di sicurezza Perdite di pressione Posizione di sicurezza SISTEMA DI GESTIONE Protocollo di comunicazione Ethernet 5

7 Sistema di monitoraggio L intero sistema è monitorato da remoto attraverso un interfaccia grafica stile web che consente di avere in tempo reale diagnosi ed informazioni sul risparmio energetico. Ogni SolarBeam al mondo è collegato tramite linea Ethernet o GSM\GPRS e può essere configurato da remoto consentendo modifiche immediate di set point. Un server centrale comunica con il SolarBeam e ne registra le prestazioni. Un esempio di schermata è mostrato in figura. Schermata principale interfaccia grafica di monitoraggio Il sistema dà tutte le informazioni sensibili: la produzione istantanea (potenza), la produzione di energia totale nelle ultime 24 ore, il valore della portata e delle temperature di mandata e ritorno del fluido solare il valore della radiazione istantanea e della temperatura che si ha sull assorbitore. 6

8 IL REPORT STORICO DELLA PRODUZIONE: E possibile inoltre creare ed esportare su file excel un report di dati storici come quello riportato in figura. Report storico della produzione: si riferisce alla giornata del 7 marzo 2012, ed i valori sono tabellati con intervalli di circa un quarto d ora 7

9 Test interni: lo stress-test INSTALLATO E TESTATO PRESSO LA NOSTRA SEDE: Verso la metà di gennaio 2012, il SolarBeam è stato installato presso la nostra sede in via Bellatalla a Pisa. Nei due mesi successivi si è effettuato un monitoraggio ed una serie di stress-test, per verificare le efficienze del concentratore alle nostre latitudini. UN SISTEMA FACILE E RAPIDO: Il sistema completo è stato installato e reso operativo in meno di 2 giorni e dotato di un accumulo di Fra i test effettuati, sono stati verificati: LA COINCIDENZA DEL FLUSSO DI ENERGIA NEL CIRCUITO CON QUELLA VISIBILE NEL SISTEMA: utilizzando un conta-calorie, sono state effettuate misure periodiche sui flussi di energia del circuito (differenza fra il valore dell energia mandata ed il ritorno del fluido dall accumulo), al fine di verificare la congruità di questa con quella visibile dal sistema di monitoraggio remoto. IL MANTENIMENTO DEI LIVELLI DI EFFICIENZA AL VARIARE DELLA TEMPERATURA IN ACCUMULO E NEL CIRCUITO. 2 La dimensione ottimale dell accumulo, che costituisce il volano termico del sistema, dipende dal tipo di carico, quindi dalla modalità di richiesta dell acqua. In generale per un corretto funzionamento del sistema sarà necessario un accumulo di almeno l. 8

10 RISULTATI DEI TEST: Conferma dell affidabilità del sistema di monitoraggio remoto; La temperatura massima raggiungibile all interno dell accumulo è pari a 90 C, alle nostre latitudini il sistema è in grado di produrre ben oltre kwh di energia termica annui. In riferimento a tale ultimo dato si consideri, ad esempio che in una giornata primaverile tipo, quale quella del 7 marzo 2012, il sistema ha prodotto circa 65 kwh portando l acqua nell accumulo da una temperatura di 28 C ad una temperatura di 85 C in 5 ore. La produzione di energia di kwh corrisponde a quella che si otterrebbe con l impiego di circa 11 pannelli solari piani, però occupando con questi ultimi molta più superficie che con il Solarbeam. La modalità di produzione sia stagionale che giornaliera è diversa. Grazie al sistema di inseguimento biassiale del sole la parabola lavora costantemente in condizioni di rendimento ottimali, consentendole sempre produzioni istantanee elevate (curva di produzione più piatta). Nella stagione invernale la produzione media di energia è maggiore rispetto ad un sistema analogo a collettori piani. Un sistema a collettori piani formato da circa 11 pannelli, con un angolo di inclinazione fisso e orientati a sud con inclinazione pari al valore di latitudine, quindi ottimizzato in modo da dare la massima produzione di energia nell arco dell anno, anche se dovesse riuscire a produrre la stessa quantità di energia del Solarbeam, questa risulterà distribuita in maniera diversa. 9

11 Esempi di possibili applicazioni del SolarBeam ANALISI TECNICO ECONOMICA DELL IMPIANTO Si riportano due casi applicativi, volti a sviluppare ed analizzare l analisi tecnico-economica di un impianto solare per la produzione di energia termica con il sistema Solarbeam. Sono stati presi in considerazione i seguenti casi tipo: CENTRO SPORTIVO\PALESTRA: Per l integrazione della produzione di ACS (acqua calda sanitaria). AGRITURISMO CON PICCOLA PISCINA SCOPERTA: Per integrazione della produzione di ACS (acqua calda sanitaria). Per integrazione del circuito di riscaldamento (stagione invernale) Per il riscaldamento dell acqua della piscina, per consentirne l uso durante le stagioni primaverili e autunnali. Entrambe le strutture considerate sono ubicate nella zona di Pisa. 1 Caso di studio: Centro Sportivo Energia Termica integrata nella produzione di acqua calda sanitaria Il centro sportivo analizzato è una palestra di medie dimensioni. Il fabbisogno di energia termica per la produzione dell ACS, si basa sui seguenti dati: Località: Pisa; Zona climatica: D; Gradi Giorno: 1694; Temperatura ACS: 45 C; Fabbisogno unitario giornaliero ACS: 30 litri/persona; Frequenza giornaliera: 100 persone; Fabbisogno totale giornaliero ACS: 30x100=3000 litri. Per il calcolo della produzione di energia media mensile la base di partenza è costituita dai dati di irraggiamento su superficie orizzontale forniti dall ENEA (kwh/m2), riparametrati per mezzo di specifici software di calcolo, ad un sistema di inseguimento biassiale per la correzione dell angolo di incidenza sul piano orizzontale. 10

12 I software utilizzati per l elaborazione dei dati sono: RET Screen International, software realizzato in partnership NASA e Governo Canadese, in collaborazione di altri governi e associazioni ed il supporto tecnico di una larga rete di esperti (sito internet: ACCA Solarius, software professionale che supporta la progettazione di impianti solari. Entrambi i software si basano per il calcolo dell irraggiamento su superficie variamente inclinata sul metodo di calcolo di Liu-Jordan. Valori medi mensili del fabbisogno e produzione di energia: Si considerano quindi la temperatura media mensile dell acqua di rete, il fabbisogno medio mensile e la produzione media di energia, di cui i valori sono riportati sotto Copertura Fabbisogno Energia percentuale [kwh] fornita [kwh] [%] Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Totale

13 Valori medi mensili del fabbisogno e produzione di energia e dell irraggiamento ANALISI ECONOMICA DELL INVESTIMENTO: SolarBeam a confronto con una caldaia tradizionale alimentata a gas naturale. Per quanto all analisi economica dell investimento, il confronto è stato fatto con una caldaia tradizionale alimentata a gas naturale. I parametri considerati per il calcolo dei risparmi sono i seguenti: Rendimento della caldaia: η=90%; PCI gas: 9,5 kwh/sm3; Prezzo del gas: 0,85 /Sm3; Tasso inflazione energia: 6%; Detrazione fiscale: 55% per 10 anni; Tasso di sconto: 5%; Tasso di Ammortamento: 9% annuo. Si seguito sono riportati i risultati dell analisi. 12

14 Analisi dell investimento e analisi costi e ricavi. 13

15 Caso studio 2: Agriturismo Energia Termica integrata nella produzione di acqua calda sanitaria, al riscaldamento degli ambienti e riscaldamento della piscina L agriturismo preso in considerazione è una struttura di circa 200 m2, con all esterno una piccola piscina scoperta (il caso può anche essere rappresentativo di un applicazione nel residenziale volto ad una villa con caratteristiche simili. L impianto dovrà coprire l intero fabbisogno per la produzione di ACS, integrando nella stagione invernale il riscaldamento degli ambienti, e nei periodi primaverili ed autunnali il riscaldamento della piscina esterna. I dati presi in considerazione per il fabbisogno di energia termica sono i seguenti: Località: Pisa; Zona climatica: D; Gradi Giorno: 1694; Classe energetica dell edificio: C; Consumo medio annuo per climatizzazione invernale: 75 kwh/m2; Temperatura ACS: 45 C; Fabbisogno unitario giornaliero ACS: 50 litri/persona; Numero posti letto: 10; Coefficiente di simultaneità : 0,8; Fabbisogno medio giornaliero totale ACS: 50x10x0,8=400 litri. Dimensioni della piscina: 12x5x1,7; Acqua di reintegro: 5%/settimana 14

16 Valori medi mensili del fabbisogno e produzione di energia: Fabbisogno per Energia Fabbisogno Energia riscaldamento fornita alla ACS [kwh] prodotta [kwh] [kwh] piscina [kwh] Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Totale Valori medi mensili del fabbisogno e produzione di energia e temperatura acqua piscina 15

17 ANALISI ECONOMICA DELL INVESTIMENTO: L analisi economica dell investimento tiene conto che per la produzione di ACS e per il riscaldamento degli ambienti, viene utilizzata una pompa di calore elettrica abbinata a terminali scaldanti a bassa temperatura. Per l integrazione termica della piscina, è stato calcolato un risparmio in relazione al costo che si sarebbe sostenuto se la stessa energia termica fosse stata prodotta con una caldaia tradizionale a gas. I parametri considerati per il calcolo sono i seguenti: Rendimento della caldaia: η=90%; PCI gas: 9,5 kwh/sm3; Prezzo del gas: 0,85 /Sm3; COP pompa di calore: 3; Costo medio energia elettrica: 0,15 [ /kwh]; Inflazione dell energia: 6%; Detrazione fiscale: 55% per 10 anni; Tasso di sconto: 5%; Tasso ammortamento: 9%. Di seguito sono riportati i risultati dell analisi. 16

18 Analisi dell investimento e analisi costi e ricavi. 17