Fiera Roma 15 Settembre Miglioramento delle prestazioni del motore Stirling tipo V161 per applicazioni dish-stirling

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Gloria Poli
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1 ZEROEMISSION ROME 2011 Il ruolo fondamentale del solare termodinamico per rispondere alle sfide climatiche ed energetiche in atto Scenari di sviluppo per il CSP in Italia Fiera Roma 15 Settembre 2011 Miglioramento delle prestazioni del motore Stirling tipo V161 per applicazioni dish-stirling F. Armanasco, V. Brignoli, A. Rossetti RSE S.p.a Ricerca sul Sistema Energetico, Via Rubattino 54, Milano Questo lavoro è stato finanziato dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico nell ambito dell Accordo di Programma tra RSE ed il Ministero dello Sviluppo Economico - D.G. Nucleare, Energie rinnovabili ed efficienza energetica - stipulato in data 29 luglio 2009 in ottemperanza del DM, 19 marzo 2009.

2 RSE - Centro Ricerca sul Sistema Energetico Studi e ricerche per lo sviluppo sostenibile del sistema energetico Italiano Produzione, trasmissione, distribuzione di energia elettrica, regolazione, fonti convenzionali e rinnovabili, impatto ambientale, tecnologie elettriche 350 persone, 35 M budget Milano, Piacenza, Seriate 2

elettrica, regolazione, fonti convenzionali e rinnovabili, impatto ambientale, tecnologie

3 Generatore solari dish - Stirling I sistemi dish Stirling sono costituiti da un paraboloide riflettente che concentra la radiazione solare su uno speciale ricevitore che trasmette l energia termica ad un motore Stirling collegato ad un generatore elettrico Sperimentati essenzialmente negli Stati Uniti e in Europa a partire dalla prima meta degli anni 80 con risultati molto incoraggianti Altirendimenti 16al25% Generazione distribuita Modularità Basso impatto 3

collegato ad un generatore elettrico Sperimentati essenzialmente negli Stati Uniti e in Europa a partire dalla

4 Impianto EuroDish RSE Motore Stirling SOLO V161 10kWel gasdi lavoroelio Concentratore 8.5m di diametro 56 m²diarea Struttura a giostra a simmetria esagonale Fattore di concentrazione 2000 solia~ 800 C Efficienza netta max 17% Condizioni ambientali difficili : Clima semi continentale 1600 ore di sole annue 1200 kwh/m² Radiazione Diretta a media intensità Umidità e pulviscolo Temperature basse in inverno Orizzonti con ostacoli 4

800 C Efficienza netta max 17% Condizioni ambientali difficili : Clima semi continentale 1600 ore di sole

Pressione max 150 bar 1500 RPM Ricevitore solare a tubidielio

5 Motore SOLO V161 Motore Stirling a configurazione alpha Bicilindrico 160 cc Gas di lavoro: elio in circuito sigillato Pressione max 150 bar 1500 RPM Ricevitore solare a tubidielio Potenza motore regolata mediante la pressione interna nei cilindri 5

6 Risultati sperimentali 2002 installazione 170 ore di esercizio ηel=15% energia prodotta 410 kwh accensioni 2377 kwh di energia elettrica prodotta La sperimentazione è proseguita fino a metà 2010 ottenendo i seguenti risultati: 1753 ore di esercizio 9,5 kw di potenza elettrica raggiunta 3,8 kw potenza elettrica media registrata 9,5 ore di funzionamento giornaliero max 66 kwh di energia elettrica prodotta in una giornata 6

i seguenti risultati: 1753 ore di esercizio 9,5 kw di potenza elettrica raggiunta 3,8 kw potenza elettrica

7 EuroDish: Operation& Maintenance Il funzionamento del generatore è stato nel complesso soddisfacente. Ha richiesto negli anni una serie di attività di manutenzione e la soluzione di alcune problematiche emerse durante la sperimentazione. L'errore più frequente è stato prodotto dal collegamento con la rete elettrica. Circa un terzo delle cause di tutte le fermate sono state prodotte dagli allarmi del controller di rete, causati dai disturbi presenti sulla rete a bassa tensione. 7

sperimentazione. L'errore più frequente è stato prodotto dal collegamento con la rete elettrica.

8 Refillingdel gas di lavoro -elio Il periodico reintegro di elio fa parte della routine manutentiva del sistema, in quanto, per questa tecnologia piccoli trafilamenti sono considerati fisiologici Quando le perdite del gas diventano eccessive bisogna cambiare le tenute delle aste dei pistoni, operazione che comporta lo smontaggio dei cilindri del motore. Ridurre la frequenza di sostituzione delle tenute è fondamentale per l economia del generatore dish Stirling. 8

eccessive bisogna cambiare le tenute delle aste dei pistoni, operazione che comporta lo smontaggio dei cilindri del

9 Le tenute del gas Separano la zona in pressione dall ambiente esterno Costituiscono il segreto tecnologico di questo tipo di motori La loro sostituzione periodica è il principale limite di questo tipo di generatori 9

di questo tipo di motori La loro sostituzione

10 Attività di revisione Data la recente indisponibilità della casa costruttrice per un attività di manutenzione è stata intrapresa da parte di RSE l attività di revisione del motore, con l obiettivo di individuare, studiare ed eventualmente sostituire i componenti più critici Per le operazioni in campo, RSE si è avvalsa di un azienda meccanica esterna con la quale è tuttora in essere una collaborazione per il proseguimento dell attività Mantenendo il concentratore solare nella posizione di sicurezza (stow position), il motore è stato disaccoppiato dal concentratore solare 10

operazioni in campo, RSE si è avvalsa di un azienda meccanica esterna con la quale è tuttora in essere una collaborazione per il proseguimento

11 Attività di revisione: smontaggio ricevitore Il lavoro è proseguito con lo smontaggio della Receiver House e del ricevitore stesso 11

12 Attività di revisione: apertura motore Si è quindi potuto procedere con la rimozione dei cilindri e dei relativi pistoni CALDO e FREDDO 12

13 Attività di revisione: verifica stato pistoni Al contrario delle aspettative, è stato trovato il pistone freddo in condizioni peggiori rispetto a quello caldo, con segni d usura sull asta di scorrimento e con una notevole quantità di residui da degradamento FREDDO CALDO V S 13

rispetto a quello caldo, con segni d usura sull asta di scorrimento e

14 Attività di revisione: prove di tenuta I cilindri e i relativi pistoni sono stati testati staticamente ad una pressione di 25 bar, analoga a quella nel motore durante la fase di stand-by Tali prove hanno avuto lo scopo di verificare che la perdita di elio fosse effettivamente legata alle tenute delle aste dei pistoni Sono stati rilevati trafilamenti dalle tenute del pistone freddo che hanno comportato una significativa perdita di pressione all interno del cilindro. Il sistema si è depressurizzato quasi completamente dopo circa 70 ore 14

effettivamente legata alle tenute delle aste dei pistoni Sono stati rilevati trafilamenti dalle tenute del pistone freddo che hanno

15 Attività di revisione: smontaggio tenute Una volta verificata l effettiva criticità delle tenute dinamiche, si è proceduto con il disassemblaggio dei pistone mediante degli estrattori realizzati ad hoc 15

dinamiche, si è proceduto con il disassemblaggio

16 Attività di revisione: stato tenute La tenuta sull asta viene garantita mediante un semplice accoppiamento negativo con l asta di scorrimento del pistone senza alcun sistema di compensazione L usura riscontrata sulla tenuta di scorrimento del pistone freddo appare significativa e distribuita in maniera non uniforme 16

pistone senza alcun sistema di compensazione L usura riscontrata sulla tenuta

17 Attività di revisione: analisi composizione Le analisi al microscopio elettronico a scansione hanno permesso di determinare la composizione elementare del materiale di cui è costituita la tenuta 17

hanno permesso di determinare la composizione

18 Attività di revisione: banco prova Per testare le nuove tenute nelle condizioni simili a quelle di esercizio è stato progettato un apposito banco prova che evita di dover rimontare il motore Si evitano anche eventuali danni al motore Stirling da dovuti all impiego dei nuovi componenti che di volta in volta saranno testati Verranno inizialmente realizzate tenute analoghe a quelle adottate dalla casa costruttrice al fine di stabilire quale sia il limite di accoppiamento negativo (asta/tenuta) realizzabile Saranno successivamente progettate e realizzate tenute con geometrie differenti che, in alcuni casi, potranno presentare sistemi di recupero dell usura 18

Verranno inizialmente realizzate tenute analoghe a quelle adottate dalla casa costruttrice al fine di stabilire quale sia il limite di accoppiamento negativo

19 Conclusioni L esperienza con il generatore Eurodish di RSE ha evidenziato che le tenute del gas del motore Stirling costituiscono un limite chiave alla diffusione dei generatori. Per superare la indisponibilità della manutenzione da parte del costruttore è stato deciso di intervenire direttamente avviando anche una attività di studio finalizzato a migliorare questi componenti di cui sono disponibili poche informazioni. Le analisi al microscopio elettronico a scansione hanno permesso di determinare la composizione elementare del materiale di cui è costituita la tenuta. E stato progettato un apposito banco prova che permetterà di simulare le reali condizioni di esercizio e testare i nuovi componenti che si andranno a realizzare. La realizzazione in proprio di tenute efficaci e di lunga durata costituirebbe una novità di rilievo per la tecnologia dei motori Stirling e dei relativi generatori e potrebbe facilitarne la diffusione. 19

di cui sono disponibili poche informazioni. Le analisi al microscopio elettronico a scansione hanno permesso di determinare la composizione elementare del materiale di cui è costituita la tenuta.

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