Simulazione di impianti solari termodinamici

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1 Simulazione di impianti solari termodinamici Esperienze presso i laboratori ENEA-UTRINN Tommaso Crescenzi Workshop Nazionale Simulazione Sistema Energetico Roma 25 marzo 2015

2 SOLARE TERMODINAMICO : LATECNOLOGIA ENEA ENEA inizia un attività di R&S sul solare termodinamico nel Produzione di elettricità con impiego dell energia solare come sorgente di calore ad alta temperatura (550 C) 2. Produzione di idrogeno con conversione termochimica ( C e superiori) Alcune Tappe significative Circuito di prova collettori solari (PCS): 2003 Ingegnerizzazione tubi ricevitori, ora ASE (Angelantoni): dal 2000 Impianto Archimede con ENEL (5 MW):

3 TECNOLOGIA ENEA: ROADMAP Progetto Archimede Impianto dimostrativo Avviamento Progettazione e costruzione Qualificazione dei componenti Realizzazione Impianto prova: PCS Lab R&D Sviluppo componenti in collaborazione con industrie italiane 2001 Avvio del progetto

4 IMPIANTO SOLARE TERMODINAMICO : CARATTERISTICHE

5 IMPIANTI SOLARI TERMODINAMICI : LATECNOLOGIA ENEA Le innovazioni Collettore solare Tubo ricevitore Accumulo termico Fluido termovettore

6 APPLICAZIONE DELLA TECNOLOGIA ENEA : PROGETTO ARCHIMEDE ENEL: Impianto Archimede Priolo Gargallo (SR) Sicilia

7 IMPIANTI SOLARI TERMODINAMICI : LATECNOLOGIA ENEA Applicazione della tecnologia ENEA all impianto ENEL

8 IMPIANTI SOLARI TERMODINAMICI E LASIMULAZIONE Ruolo della simulazione La simulazione (dinamica) può entrare in gioco a vari livelli: Simulazione di componente o sottosistema Simulazione ingegneristica di impianto (per controllo di processo) Simulazione semplificata di impianto Previsione delle prestazioni e della resa

9 IMPIANTI SOLARI TERMODINAMICI E LASIMULAZIONE Impianto Sperimentale PCS (Prova Collettori Solari) Tubo Ricevitore Impianto Solare Archimede ENEL

10 SIMULAZIONE DI COMPONENTE OSOTTO SISTEMA Dinamica del campo solare Collaborazioni con Università della Calabria, Università di Roma, Università di Parma Modellistica dinamica in ambiente Matlab/Simulink

11 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE Modellistica del tubo ricevitore

12 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE Schema modelli di nuvole rettangolari Nuvola longitudinale Lunghezza Larghezza e posizione Lunghezza Nuvola Trasversale

13 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE Esempio di passaggio di una nuvola Nuvola «longitudinale» Lunghezza: 150 m., velocità 5 m/s Irraggiamento: 900 W/m2 0 La nuvola inizia a impattare a t = 100 sec. e permane per 90 sec. 300 m. 5 m/s 150 m.

14 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE Evoluzione Temperature

15 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE Tubo irraggiato Sale Tubo non irraggiato Dettaglio Temperature all uscita (600 m.)

16 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE T [C] L[m] t [s] Effetto di una nuvola longitudinale portata costante

17 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE PE 4 PE 4/1 PE 4/ PE 3 PE 1 PE 2 Un campo solare irregolare

18 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE Loop 1 10: singoli loop di PE 4 Risposta portata a una rampa di velocità pompa ( r.p.m. 40 r.p.m./s)

19 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE Controllo basato su un algoritmo Adattativo MPC (Model Predictive Control) CONTROLLORE basato su un modello lagrangiano del processo a passo variabile STIMATORE dello stato basato su filtro di Kalman (UKF) con modello euleriano bilineare : stima on-line dei parametri ottici e di perdita

20 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE Controllore implementazione SIMULINK Stimatore

21 DINAMICA DEL CAMPO SOLARE Esempio prestazioni algoritmo

22 DINAMICA DI IMPIANTO Dinamica di Impianto dal 2007 Dinamica del campo solare Dinamica dell accumulo Dinamica del ciclo a vapore Collaborazione con società Struttura Informatica Prodotto: Isaac Dynamics, orientato al controllo di processo di impianti termici e CSP Moduli pre costituiti Possibilità di operare in real time (1X) o in accelerato (tip X) Possibilità di agire singolarmente sugli attuatori (es. Valvole) e di realizzare simulatori accoppiati a interfaccia utente per addestramento

23 DINAMICA DI IMPIANTO INISAAC DYNAMICS Campo solare e accumulo

24 DINAMICA DI IMPIANTO INISAAC DYNAMICS HP MH SH RH Gruppo a Vapore (Power Block)

25 DINAMICA DI IMPIANTO INISAAC DYNAMICS DNI DNI (W/m2) DNI (W/m2) Time hours 100 Solar Field Mass Flow HTF mass flow (kg/s) HTF mass flow (kg/s) Time hours Irraggiamento pertubato

26 DINAMICA DI IMPIANTO INISAAC DYNAMICS Output Temperatures - 1st April Solar Field Equivalent Loop L Loop A Loop E 500 Output Temperature ( C) Time (hours) Uscite temperature 1 Aprile

27 DINAMICA DI IMPIANTO INISAAC DYNAMICS HTF mass (kg) A5 A4 A6 A3 A7 Draining of Loop A A1 A8 A2 8 1 collector A1 A8 A2 A7 A3 A6 A4 A Time (hours) Drenaggio Sali di stringa

28 DINAMICA DI IMPIANTO INISAAC DYNAMICS Temperature evolution - Loop E Temperature ( C) E8-1 E1-0 Freeze limit Collector E1- section 0 E2-0 E3-0 E4-0 E5-0 E6-0 E7-0 E8-0 E Time (hours) Temperature durante drenaggio sali di stringa

29 CAMPO SOLARE: SIMULAZIONE RELAP5 RIEMPIMENTO Il codice Relap5 è stato utilizzato per analizzare il comportamento termo idraulico dell impianto solare Archimede, circuito comprendente i collettori solari parabolici lineari ed i due serbatoi per lo storage termico (serbatoio caldo e serbatoio freddo). Dettaglio A Dettaglio B Dettaglio C Nodalizzazione del sistema e definizione delle caratteristiche geometriche ed idrauliche 140 mflowj on left mflowj pump mflowj on right Fase di riempimento del circuito Mass flow rate [ kg/s ] Time [ s ] Dettaglio B Dettaglio C System mass [ kg ] Time [ s ] Per bilanciare il circuito l apertura delle valvole di bypass poste ai due estremi dell impianto è differente Tempo necessario t=320s

30 CAMPO SOLARE: SIMULAZIONE RELAP5 DRENAGGIO Time Dependent Volume 290 Valve 305 Time Dependent Volume 256 Valve 304 Branch 255 Time Dependent Volume 236 Branch 235 Valve 301 Pump 220 Dettaglio A Time Dependent Volume 200 Serbatoi: Time dependent Volume 290 Time dependent volume 200 Valvole di drenaggio: Valve 306 Valve 307 Valve 308 Valve 309 Vent valve: Valve 301 Valve 304 T=0s circuito pieno di Sali T=10s power off pompa T=60s apertura valvole di drenaggio T=90s apertura vent valve Time Dependent Volume 500 Valve 309 Valve 308 Valve 307 Valve 306 E stato simulato il drenaggio dell impianto al fine di definire una procedura standard da applicare. 45 Molten salts Water Molten salts Water Mass flow rate [ kg/s ] System mass [ kg ] Time [ s ] Time [ s ]

31 CAMPO SOLARE: SIMULAZIONE RELAP5 LOOP T=0s T=200s circuito pieno di acqua valvole ingresso ed uscita loop aperte Riempimento loop T=0s T=200s T=300s circuito pieno di acqua valvola ingresso loop aperta valvola uscita loop aperta 5 mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj Mass flow rate [kg/s] Mass flow rate [kg/s] Portata pipe 825 Time [s] mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj Portata pipe 810 Time [s] mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj mflowj Mass flow rate [kg/s] Mass flow rate [kg/s] Time [s] 1 Time [s] Portata pipe 830 Portata pipe 825

32 DINAMICA DI IMPIANTO «SEMPLIFICATA» Per studi di impatto sulla rete è opportuno impiegare modelli semplificati di impianto Input solare (DNI su base 1 5 ) Rappresentazione semplificata della prestazione campo solare Rappresentazione semplificata dell accumulo Scheduling del Power Block e «dispacciamento produzione»

33 DINAMICA DI IMPIANTO «SEMPLIFICATA» Schema per modello presentato a 1 st WorkShop on Integration of Solar Power into Power Systems 2011 implementato in MATLAB/Simulink

34 DINAMICA DI IMPIANTO «SEMPLIFICATA» 1000 Irradiation, Load, Hot Tank level march 600 Solar field output temperature - 15 to 24 march operation Irradiation (W/m2) T ( C) Hot Tank temperature 560 Load (MW) Tc ( C) Hot Tank level (m) Hours from Jan 1st Tf ( C) Cold Tank temperature hours from jan 1st Esempio di output Marzo scheduling pomeridiano

35 DINAMICA DI IMPIANTO «SEMPLIFICATA» Complessità e tempi di calcolo (su PC std.) Modelli dinamici (campo solare e/o impianto): complessi e potenzialmente «instabili». Velocità tip. Real time/100x Modello semplificato: stabile; velocità tipica: 10 5 X(1 anno in 5 min.) Calcolo prestazioni: 10 4 X 10 5 X