Le attività di certificazione dei sistemi solari a concentrazione presso il Lab ENEA di Trisaia
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- Aureliana Mari
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1 Incontro dibattito STAGE-STE Project - ANEST L interazione Ricerca - Industria nel Settore del Solare a Concentrazione (CSP) Le attività di certificazione dei sistemi solari a concentrazione presso il Lab ENEA di Trisaia Dr. Vincenzo SABATELLI ENEA - Centro Ricerche Trisaia Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari vincenzo.sabatelli@enea.it Milano, 09 aprile
2 Contesto Forte interesse nello sfruttamento termico delle energie rinnovabili per applicazioni civili e industriali a media temperatura (solar-cooling, teleriscaldamento, calore di processo, cogenerazione distribuita) La produzione di calore di processo a media temperatura ( C), mediante sistemi solari a concentrazione, rappresenta una applicazione di grande potenzialità per il sistema industriale nazionale Necessità di qualificazione dei componenti anche al fine di accedere agli attuali meccanismi di incentivazione Esigenza di mettere a punto le tecnologie esistenti e/o di supportare lo sviluppo di nuove Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 2
3 Ruolo ENEA La disponibilità di infrastrutture di ricerca e di test in grado di supportare l industria nazionale nello sviluppo e verifica prestazionale di componenti e impianti per la produzione di calore a media temperatura per usi civili ed industriali, rappresenta un occasione per instaurare e rinnovare collaborazioni tra industria e mondo della ricerca. In quest ambito il ruolo ENEA nel settore delle applicazioni solari a media temperatura, riguarda: Qualificazione dei componenti Dal 2012 è operativo il laboratorio, unico in Italia, per la sperimentazione e qualificazione di collettori solari a media temperatura che supporta i meccanismi di incentivazione rilasciando le attestazioni previste dal DM (Conto Termico) Supporto allo sviluppo industriale Sono attive collaborazioni con aziende italiane operanti nel settore delle applicazioni solari a media temperatura Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 3
4 Infrastrutture e attività Laboratorio solare a media temperatura Caratterizzazione energetica e qualificazione di componenti solari termici a media temperatura in accordo alle normative tecniche europee ed internazionali di settore (EN 12975, ISO 9806) Supporto allo sviluppo ed ottimizzazione energetica di prototipi (sistemi CPC, mini e micro-csp, sistemi Linear-Fresnel, sistemi dish/stirling) Utilizzo di modelli termo-fluidodinamici ed ottici per l analisi, la progettazione e lo sviluppo di nuovi componenti a supporto di aziende interessate al miglioramento tecnologico dei propri prodotti Testing in laboratorio di prototipi preindustriali e collaudo on-site di componenti e impianti Laboratorio, accreditato ACCREDIA (n 1346) Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 4
5 Qualificazione dei componenti Attività in corso Sono stati qualificati (o sono in corso di qualificazione) componenti di diversa tipologia Tipiche condizioni di prova: Orientamento: E-W Fluido: olio diatermico Range di temperatura: C Portata: costante durante i test (valore massimo ottenibile 4000 kg/h) Misure eseguite al mezzogiorno solare per rendere trascurabili gli effetti di bordo Principali output dell attività di test: Determinazione dell efficienza termica (tipicamente in stato stazionario o anche in condizioni quasidinamiche QDT) Caratterizzazione delle proprietà ottiche attraverso la determinazione dell IAM sia longitudinale che trasversale Qualificazione meccanica dei componenti anche attraverso la verifica dei sistemi di protezione Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 5
6 Qualificazione dei componenti Determinazione dell IAM In collettori parabolici lineari, l andamento dell IAM longitudinale viene prevalentemente determinato per via sperimentale In sistemi Linear-Fresnel, l andamento dell IAM longitudinale e trasversale viene determinato per via numerica attraverso tecniche di ray-tracing, che consentono: dapprima di stimare la potenza radiante assorbita dal tubo ricevitore in corrispondenza di un flusso solare di 1000 W/m², con raggi provenienti dallo zenit e caratterizzati da una distribuzione angolare di tipo gaussiano di opportuna divergenza successivamente tali analisi sono ripetute per raggi provenienti da direzioni differenti dallo zenit al fine di caratterizzare il comportamento ottico del sistema di concentrazione per diversi angoli di incidenza trasversale e longitudinale della radiazione solare Tm Ta IAM L IAM T 0 a1 DNI a 2 ( Tm Ta ) DNI 2 Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 6
7 Qualificazione dei componenti Sistemi Linear-Fresnel: determinazione della curva di efficienza in condizioni ideali Problematiche emerse nella caratterizzazione energetica di sistemi a concentrazione Collettori Linear-Fresnel: esigenza di ricondurre i dati sperimentali, ottenuti in condizioni off-axis, alle condizioni ideali con Sole allo zenit L efficienza ottenuta per via sperimentale si riferisce a situazioni in cui la DNI non è ortogonale al piano di apertura Si è reso necessario introdurre un fattore correttivo, dipendente dalle sole proprietà ottiche del sistema, che permette di ricondurre i valori di efficienza ottenuti per via sperimentale al caso ideale (Sole allo zenit) ( 1 IAM IAM L ) T 0 Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 7
8 Qualificazione dei componenti Test on-site di moduli di grandi dimensioni L ampio ventaglio di tipologie e taglie di impianti disponibili ha posto il problema di dover eseguire i test in campo presso i siti di installazione in quanto le dimensioni dei moduli da caratterizzare eccedono la capacità massima di test dell impianto ENEA di Trisaia (limite intorno ai 25 kw). Principali problematiche nelle misure on-site: Non sempre è possibile effettuare prove in stato stazionario Qualora ciò sia possibile, risulta difficile riprodurre condizioni di stabilità dei parametri termofluidodinamici analoghe a quelle ottenibili con misure di laboratorio Inoltre, non sempre è possibile eseguire i test al mezzogiorno solare, circostanza che comporta la necessità di introdurre correzioni che tengano conto degli effetti dell IAM Di contro, il sistema nel corso della sua normale operatività si trova spesso in condizioni transitorie Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 8
9 Qualificazione dei componenti Messa a punto di modelli dinamici per la valutazione delle performance in regime transitorio Sviluppo di metodiche di prova specifiche per concentratori a media temperatura e relativa sperimentazione in campo E stata messa a punto una metodica di stima dei parametri della curva di efficienza, caratteristici di collettori a concentrazione con ricevitore a geometria cilindrica, a partire da misure in campo effettuate in condizioni forzatamente dinamiche, che rappresentano la condizione operativa più frequente Il metodo si basa su un modello multi-nodale del ricevitore che permette di stimare il termine di accumulo (non misurabile direttamente) che è sempre presente nel funzionamento non stazionario e che può assumere valori anche considerevoli La metodica è stata validata con successo attraverso una serie di verifiche sperimentali effettuate su impianti di diversa taglia e con caratteristiche operative differenti Sperimentazione in campo su sistema Fresnel da 25 kw QS Qu Qacc A DNI A DNI a a Contributi al calcolo dell apporto solare Confronto tra risultati in stato stazionario e transitorio Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 9
10 Supporto allo sviluppo industriale Sono in corso attività di consulenza tecnico-scientifica alle imprese che riguardano: lo sviluppo e la qualificazione di componenti prototipali a concentrazione di piccola taglia lo sviluppo di metodi di collaudo prestazionale l elaborazione di studi di fattibilità Nell ambito di progetti nazionali (MiSE, PON R&C), che vedono anche il coinvolgimento di piccole e medie imprese, sono in corso attività di: modellazione ottica e termo-fluidodinamica su diverse tipologie di concentratori per l analisi e la previsione delle prestazione energetiche attività di sviluppo e caratterizzazione di sistemi ibridi del tipo Dish/Stirling Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 10
11 Y [mm] Asse Y [mm] Supporto allo sviluppo industriale Attività modellistica Sono stati sviluppati e messi a confronto differenti modelli termo-fluidodinamici (bi-dimensionale piano, assiale-simmetrico, tri-dimensionale) che utilizzano diversi algoritmi di simulazione in regime turbolento Sono stati sviluppati differenti modelli in grado di stimare le performance ottiche dei diversi sistemi 90 Distribuzione del flusso di radiazione concentrata sul tubo ricevitore 30 x considerati x Asse X [mm] Angolo [deg] 270 Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 11
12 Supporto allo sviluppo industriale Caratterizzazione di sistemi Dish/Stirling Sistema Dish/Stirling installato in Trisaia per la sua caratterizzazione e valutazione delle potenzialità di produzione elettrica e termica su mediolungo periodo. Esempio di analisi ottica condotta sul sistema al fine di valutarne le performance MILANO ROMA PALERMO TRISAIA Andamento delle prestazioni energetiche giornaliere durante il periodo di monitoraggio Producibilità giornaliera ed efficienze del sistema Dish/Stirling E th [MJ] E el [MJ] E sol [MJ] η el [-] η th [-] η [-] LUGLIO GENNAIO LUGLIO GENNAIO LUGLIO GENNAIO LUGLIO GENNAIO Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 12
13 CONCLUSIONI Il settore della produzione di calore a media temperatura per via solare è caratterizzato da un forte interesse da parte degli operatori nazionali Sono disponibili facility di ricerca e sperimentazione a supporto dello sviluppo industriale di tali tecnologie Ci sono quindi le condizioni favorevoli per una proficua collaborazione tra il mondo della ricerca e il settore industriale Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 13
14 Grazie per l attenzione Per ulteriori informazioni Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l energia e lo sviluppo economico sostenibile Centro Ricerche TRISAIA Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari Milano ENEA Centro Ricerche Trisaia - Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari 14
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