Progetto SOLAR. Prototipo Eliostato realizzato dall'unità Operativa di Catania

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1 Progetto SOLAR Prototipo Eliostato realizzato dall'unità Operativa di Catania L Unità Operativa di Catania, afferente al Dipartimento di Ingegneria Industriale, nell ambito del progetto SOLAR prevede lo svolgimento delle attività appresso elencate: 1. La realizzazione di un inseguitore solare (Eliostato) a due assi di rotazione; 2. Lo studio e l ottimizzazione dei relativi sistemi di movimentazione e controllo; 3. La realizzazione di un bersaglio fisso (posizionato su una torre) capace di intercettare i raggi solari riflessi; 4. Bilancio, per attività, obbiettivi-risultati evidenze di difformità rispetto a capitolato tecnico; 5. Stesura relazione finale relativa alle attività svolte; 6. Test sperimentali e collaudo del prototipo. Il prototipo di eliostato realizzato è energeticamente indipendente (stand-alone) grazie ad un sistema di pannelli fotovoltaici finalizzati alla produzione di energia elettrica e a delle batterie di accumulo, ricaricate attraverso la fonte di conversione solare. Figura 1: Eliostato.

2 La prima fase del progetto di ricerca ha riguardato lo studio della movimentazione e del rendimento dei pannelli fotovoltaici a corredo dell eliostato, il cui compito è quello di provvedere all approvvigionamento energetico del sistema. Il prototipo è stato equipaggiato da una centralina elettronica di controllo che verifica costantemente la posizione del sole e fa muovere il sistema. Di conseguenza, esso presenta un sistema di sicurezza automatico, attivabile dall utente in qualsiasi momento, capace di intercettare i raggi solari riflessi, evitandone la focalizzazione quando non richiesto. Figura 2: Solar Tracker Controller. Dopo una fase preliminare, atta ad illustrare le tecnologie possibili e le diverse configurazioni progettuali, si è proceduto con lo studio del controllo automatico e degli apparati per la movimentazione, con una descrizione accurata del sistema di sensori che assicurano il corretto inseguimento solare, indispensabile per l ottenimento delle massime prestazioni in termini di puntamento. Il movimento dell eliostato è assicurato dall insieme di attuatori e motori elettrici che regolano le rotazioni attorno ai due assi prescelti e sono alimentati da quattro pannelli fotovoltaici e due batterie di accumulo, dei quali si è provveduto a studiare la caratteristica I-V. Nella realizzazione di un inseguitore, molto importante è la scelta dei componenti di automazione che devono avere un elevato grado di affidabilità sia per ridurre i costi di manutenzione sia per garantire all'utente un ciclo di vita del prodotto adeguato alle richieste del mercato. Uno studio è stato condotto sul moto d inseguimento, con lo scopo di ricavare le equazioni che regolano la cinematica dell eliostato nelle due diverse configurazioni, "spinning-elevation" e "azimuth-elevation", in modo da rendere il sistema solidale al moto della rotazione terrestre. Per quanto riguarda lo studio e l ottimizzazione dei sistemi di movimentazione, si è posta particolare attenzione alla sicurezza e al corretto funzionamento del sistema attraverso uno studio mirato, effettuato in galleria del vento. La verifica degli effetti del vento sugli specchi riflettenti permetterà di dimensionare correttamente gli elementi dell eliostato e di ottenere quindi le migliori prestazioni in termini di riflettività.

3 L uso della galleria del vento e degli strumenti di misura connessi, è stato fondamentale al fine di tarare un modello CFD (fluidodinamica computazionale), utilizzato a sua volta per determinare le sollecitazioni ventose a cui un eliostato è immancabilmente sottoposto. Figura 3: Flusso attorno al pannello in Galleria del Vento. Si è dunque rivolta l attenzione all analisi del sistema di forze aerodinamiche agenti sul modellino posto in galleria, al variare della velocità del vento. Questo studio del campo di moto aerodinamico ha consentito di tarare un modello CFD, opportunamente implementato in ANSYS FLUENT, che ha permesso di determinare le forze agenti sul prototipo dell eliostato in scala 1:1. Figura 4: Linee di flusso (Streamline) del campo di velocità. Nell ambito dell attività di ricerca, finalizzata allo studio dello scambio termico tra l ambiente e i pannelli fotovoltaici, volta a migliorare l efficienza dei moduli fotovoltaici a supporto energetico del sistema di movimentazione dell eliostato, è stata effettuata un analisi termica di un modello in scala di un pannello fotovoltaico utilizzando la galleria del vento.

4 Figura 5: Immagine termica del pannello oggetto di studio. In particolare, lo studio ha posto l accento sulle diminuzioni di efficienza energetica legate alle elevate temperature raggiunte dai moduli, operanti in condizioni meteorologiche di alta radiazione solare, come peraltro accade nel nostro territorio per molti mesi l anno (Deriva Termica). La verifica dell attività scientifica, condotta sia sul piano sperimentale che su quello computazionale, e la ricerca di un compromesso che soddisfacesse le esigenze di carattere economico e costruttivo, hanno suggerito alcune modifiche al progetto del prototipo. Si è a tal proposito optato per una configurazione che contemplasse in un unico sistema sia i pannelli PV che gli specchi. Le verifiche sperimentali condotte hanno consentito di affermare che anche in questa configurazione e con tali leggi del moto, diverse da quelle della captazione, tipiche dei pannelli PV, si assicura una corretta alimentazione del sistema e una ricarica delle batterie di accumulo in tempi brevi e comunque idonei alle esigenze richieste dall'applicazione. Un ulteriore modifica è stata apportata al tipo di movimentazione dell eliostato, optando per una tecnologia "azimuth-elevation", che prevede una minore complessità costruttiva, garantendo comunque un corretto inseguimento. Successivamente al processo di studio preliminare e di progettazione, si è provveduto alla realizzazione e all assemblaggio dell eliostato e della torre-bersaglio. Il sistema, composto da quattro specchi centrali con un area complessiva di 5,76 m 2 e da quattro pannelli PV in silicio policristallino, è energicamente indipendente e possiede una tecnologia di movimentazione di tipo "azimut-elevation". Mediante una centralina si è testata la quantità di energia necessaria alla movimentazione e, contemporaneamente, l energia prodotta dai pannelli fotovoltaici, che assicura l'energia elettrica richiesta e accumulata dalle due batterie di accumulo, verificando il corretto funzionamento del sistema di alimentazione in ricarica energetica.

5 Figura 6: Solar Charge Controller. I moti di rotazione dell eliostato attorno agli assi di azimut e della elevazione, assicurati da un controller per l inseguimento biassiale a concentrazione, sono ottenuti con due sistemi di accoppiamento ruota dentata - vite senza fine, comandati da sensori di movimento est-ovest e up-down. In una prima fase di verifica della corretta movimentazione, si è provveduto alla regolazione dei parametri utili al funzionamento del sistema, quali l impostazione delle posizioni di default (iniziale, di riposo e di sicurezza) ed il settaggio della modalità per l inseguimento automatico della traiettoria dei raggi solari incidenti (real time). Al fine di ottenere la captazione e la riflessione, è stato posizionato un solarimetro sul bersaglio. La funzione del solarimetro è quella di misurare la radiazione incidente sui moduli stessi, attivando conseguentemente la centralina, per effettuare le dovute correzioni d allineamento. Figura 7: Ricevitore a torretta.

6 Mediante l utilizzo di una termocamera si è testata l oscillazione termica ottenuta sul solarimetro del bersaglio, mostrando come la variazione climatica incide sull irraggiamento ottimale tracker bersaglio. Figura 8: Variazione termica misurata sul bersaglio. I test effettuati sulla movimentazione dell eliostato e un analisi approfondita dei dati sperimentali ottenuti, hanno permesso di ottimizzare il moto dell eliostato rispetto al bersaglio, ottenendo un ottimo inseguimento sull intero arco della giornata. Le misure eseguite sono state effettuate variando il parametro Aim Difference, controllato dalla centralina, il quale definisce la massima differenza di luminosità misurata tra le coppie di sensori est-ovest e up-down. I risultati ottenuti hanno messo in evidenza un interessante peculiarità del sistema implementato: con Aim difference elevati si ottiene una minore riflessione dei raggi solari a vantaggio di un allineamento affidabile, costante e accurato tra eliostato e bersaglio; utilizzando valori ridotti, si realizza invece una maggiore concentrazione dei raggi riflessi a scapito di un disallineamento frequente tra eliostato e bersaglio. La variabilità di questo parametro conferisce all eliostato un ottima possibilità di adattamento alle diverse condizioni operative cui il sistema è sottoposto, (distanza del bersaglio, posizione geografica, condizioni climatiche etc ). In conclusione si può affermare che, i buoni risultati esitati da tutte le prove sperimentali e dalle diverse corse di simulazione effettuate, uniti alla versatilità del prototipo reale, conseguono in maniera soddisfacente, le finalità del progetto fin qui sviluppato.