L’obiettivo del presente è stata la valutazione della possibilità di integrare tra loro gli ambienti di simulazione HYSYS e AMESim per la realizzazione di un modello dinamico di un impianto ORC solare di piccola taglia, con il quale studiare le prestazioni dello stesso, valutate in termini di producibilità energetica annuale, rispetto ad un modello stazionario predittivo del funzionamento medio mensile. L’impianto studiato opera con un modello numerico del prototipo dell’espansore volumetrico Wankel realizzato presso il DESTEC dell’Università di Pisa che elabora come fluido di lavoro isobutano e con collettori parabolici composti CPC, caratterizzati da un basso valore del fattore di concentrazione (nello specifico sono state analizzate le configurazioni C=1,25 e C=2). E’ stato proposto l’uso del software Aspen HYSYS per simulare il funzionamento fuori progetto del modulo ORC, poiché consente una caratterizzazione dettagliata della sezione di potenza attraverso l’uso di librerie commerciali per il dimensionamento della componentistica. All’interno dell’ambiente HYSYS è stata inoltre definita una configurazione per simulare il campo solare in condizioni stazionarie medie mensili, come punto di partenza per un modello dinamico in grado di predire la producibilità energetica dell’impianto e descriverne il funzionamento in transitorio. Dalla modellazione in ambiente HYSYS del fenomeno solare sono emerse delle criticità relative all’uso di questo software per lo studio di un fenomeno dinamico ad alta variabilità, caratterizzato da un elevato numero di variabili da prendere in considerazione per definire le effettive condizioni di funzionamento dei collettori (radiazione oraria, variazione dell’altezza solare rispetto all’angolo di altezza solare minimo utile per il collettore, variazione dell’angolo di incidenza e dell’azimuth solare, profilo orario della temperatura ambiente). La scelta di un software quale HYSYS privilegia infatti l’aspetto impiantistico che risulta fondamentale per gli scopi di questo lavoro. La soluzione proposta per superare queste criticità ha riguardato la definizione di una modalità di integrazione del modello HYSYS, che diventa una sorta di banco prova virtuale della sezione di potenza precedentemente dimensionata, in un modello del campo solare realizzato in ambiente di simulazione AMESim. Da lavori precedenti questo strumento si è infatti rivelato utile per la caratterizzazione geometrica di collettori attraverso la definizione del fattore di concentrazione, dell’angolo di tilt e della disposizione dei collettori in un array; le informazioni relative all’evoluzione dei parametri che definiscono la posizione del sole nell’arco della giornata possono essere fornite al modello nella forma di file dati.
L’ipotesi su cui viene realizzata l’integrazione tra i due modelli è relativa alla considerazione che il tempo di risposta del sistema è quello del campo solare, in quanto la dinamica del modulo
95 di potenza risulta più rapida di un ordine di grandezza, e pertanto può essere trattata con un approccio stazionario. L’interfaccia tra i due modelli passa attraverso l’uso di mappe operative del modulo di potenza, ottenute dal funzionamento in off-design predetto da HYSYS. Il lavoro ha posto le basi per la definizione di una logica di integrazione dei due modelli, attraverso la scelta delle informazioni di input e output necessarie per la simulazione e per definire lo stato attuale della sezione di potenza. In questo processo, la possibilità di monitorare alcune grandezze relative allo stato del modulo ORC si perde, e questo risulta essere un limite delle mappe operative. Nel caso in esame, per come è stata definita la logica di interfaccia non è possibile ottenere direttamente informazioni sulla temperatura del fluido di lavoro, ma l’informazione è implicita nei set di mappe implementati, in modo da riprodurre indirettamente il controllo sul grado di surriscaldamento. Inoltre le mappe operative sono state pensate per riprodurre, pur con la semplificazione di trattare il modulo ORC in stazionario, la strategia di controllo dell’evaporatore per mantenere la pressione del ciclo al set-point. Attraverso l’uso della libreria di segnali di AMESim è stata realizzata un’interfaccia tra il circuito del fluido termovettore e le mappe operative descrittive del modulo di potenza, che simulano il funzionamento dell’impianto in condizioni reali. Il loop di controllo attuato dall’espansore relativo al controllo della pressione del ciclo risulta quindi semplificato con un controllo perfetto, che non prevede ritardi. Questa semplificazione se da un lato ha il vantaggio di semplificare ulteriormente il modello e ridurre i tempi di calcolo, dall’altro comporta una minore accuratezza sulla risposta dinamica dell’impianto, in quanto il controllo sulla variabili del modulo di potenza non permette di simulare i ritardi della risposta e la presenza di disturbi. Il modello risultante è stato testato in condizioni di funzionamento reali e si è rivelato adatto nel predire l’operatività dell’impianto in quanto riesce a descrivere l’influenza degli effetti inerziali del campo sul profilo di generazione elettrica, sull’operatività del ciclo ORC e della strategia controllo dell’espansore; riproduce inoltre l’effetto della perdita di parte dell’energia interna, accumulata nella fase di start-up e non completamente recuperata nella fase di raffreddamento, come è stato evidenziato dai profili di temperatura del fluido termovettore. L’uso di mappe operative stazionarie per descrivere il modulo di potenza si è rivelata pertanto una soluzione efficace per la simulazione dell’operatività dell’impianto; inoltre questa consente di ampliare il campo di applicazione del software HYSYS alla modellazione di impianti i cui componenti abbiano tempi caratteristici diversi e in cui sia necessaria una caratterizzazione dettagliata della componentistica per lo studio delle prestazioni in off-design.
96 L’analisi dinamica su questo tipo di impianto solare, caratterizzato dall’assenza di accumulo termico, ha permesso di evidenziare l’effetto dell’inerzia del campo solare, che non è trascurabile specialmente nei casi in cui la concentrazione è bassa. Infatti dal confronto con i risultati predetti dal modello stazionario, emerge che quest’ultimo sovrastima di un fattore maggiore di 1,5 la producibilità specifica annua dell’impianto; le discrepanze tra i modelli sono più evidenti nel caso a minore concentrazione poiché, per via della maggiore inerzia e delle maggiori perdite termiche, il sistema richiede tempi più lunghi per raggiungere i parametri di set-point. Nonostante i bassi valori dell’efficienza globale di questi impianti (minore del 4%), lo studio ha confermato che la strategia di controllo dell’espansore sliding pressure/sliding velocity è adeguata per consentire all’impianto di seguire le variazioni della sorgente termica e per mantenere i parametri termodinamici al set-point. Questo è dovuto alla flessibilità operativa dell’espansore rotativo, che consente di operare l’impianto senza un sistema di accumulo, con multiplo solare unitario.
In termini di producibilità annua, i risultati delle simulazioni dinamiche possono essere considerati affidabili, nei limiti della capacità di interpolazione del codice AMESim, in quanto i risultati del funzionamento in off-design del modello HYSYS sono predittivi di condizioni operative reali.
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