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Modellazione di un impianto solare a concentrazione per produrre vapore

Università degli Studi di Parma
Dipartimento di Ingegneria Industriale - Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica
A.A. 2013-2014

Michele Rossi

Relatore: Prof. Ing. Giorgio Pagliarini
Correlatori: Ing. Carlo Corradi, Ing. Riccardo Guerra

Introduzione

Negli ultimi anni è cresciuta sempre più la necessità di ridurre il consumo di combustibili fossili, principali responsabili dell’inquinamento atmosferico e dei conseguenti cambiamenti climatici. L’esigenza di utilizzare fonti di energia alternative ha iniziato ad interessare tutti i settori, da quelli industriali a quelli civili. Non bisogna dimenticare che in questa direzione si stanno muovendo tutti i paesi industrializzati, sulle tracce del protocollo di Kyoto (16 Febbraio 2005).

Le fonti di energia rinnovabili sono molteplici e in grado di ridurre, anche in modo drastico, la dipendenza umana dal combustibile fossile. Esse derivano, direttamente o indirettamente, dal sole. Questo è una fonte di energia inesauribile, anche se va evidenziato che si tratta di una fonte aleatoria, problema che viene spesso risolto ricorrendo ad accorgimenti tecnici, quali l’accumulo ad energia termica.
Nel presente lavoro di tesi di laurea magistrale viene considerato l’impiego dell’energia da fonte solare nella produzione di vapore d’acqua saturo secco alla pressione di 6 bar.
In particolare, è stata ipotizzata la produzione di 700 kg/h di vapore saturo secco per adempiere a richieste specifiche. Per la produzione del vapore d’acqua nelle condizioni indicate, un’ampia analisi in ambito tecnico/commerciale ha indotto a scegliere l’utilizzo di concentratori parabolici lineari, quale sistema di captazione dell’energia solare. Infatti, questi concentratori permettono di portare ad elevata temperatura il fluido termovettore che scorre all'interno del collettore centrale. La soluzione considerata prevede la presenza di due circuiti separati: quello del fluido termovettore che fluisce nei concentratori solari e quello dell’acqua. Con l’impiego di un accumulatore termico, tale soluzione permette di risolvere il problema dell’aleatorietà della fonte di energia solare, mantenendo così il vapore a una temperatura pressoché costante. L’impianto viene completato con l’allacciamento ad una caldaia a gas naturale con funzione integrativa, la quale entra in funzione quando l’energia solare scende sotto la soglia minima di sufficienza programmata.

Modellazione dell’Impianto

Il funzionamento dell’impianto è stato analizzato con un software di simulazione, al fine di dimensionare correttamente l’intero sistema.
Per la simulazione dinamica dell’impianto a concentrazione solare, è stato utilizzato il codice TRNSYS, acronimo di "TRaNsient SYstem Simulation program”, versione 16. Il codice è stato sviluppato dal "Solar Energy Laboratory” dell’università di Wisconsin-Madison e attualmente è uno tra gli strumenti più affidabili per la simulazione dinamica di sistemi in ambito energetico.

Analisi

In fig. 2 è riportata l’energia fornita dalla caldaia per diverse dimensioni di superficie captante, ottenuta mediante simulazione con il software TRNSYS nell’arco di un intero anno.

Conclusioni

Il risparmio di energia aumenta con l’estensione del campo solare, ma con legge non lineare. Questa osservazione giustifica l’ottimizzazione dell’impianto, che ne renda massimo il risparmio di energia in relazione al costo di realizzazione.

Inoltre, per incrementare il risparmio di energia, vi è la possibilità di valutare un eventuale sistema di controllo ad elevata efficienza.
Un altro aspetto degno di nota è quello del risparmio di gas naturale, con una conseguente riduzione dell’anidride carbonica immessa in atmosfera.


CONFIGURAZIONE ENERGIA NECESSARIA [GJ] QUANTITÀ COMBUSTIBILE [m3] DIMINUZIONE DI EMISSIONI DI CO2 [kg]
Caldaia

 

27700 772018 0

Caldaia+Solare 4000m2

25400 707915 155998
Caldaia+Solare 9000m2 24400 680045 223823
Caldaia+Solare 15200m2 23900 666109 257735


Combustibile necessario per fornire la corretta quantità di energia al fluido termovettore e risparmio di CO2 immessa in atmosfera.