Definizione dell’interfaccia tra i due ambienti di simulazione

La metodologia seguita in questa trattazione si propone di schematizzare il modulo ORC con mappe operative ottenute dal modello stazionario realizzato in HYSYS e implementarle in ambiente di simulazione in cui è stato realizzato un modello dettagliato dei collettori CPC. Il punto focale del problema diventa la definizione di una modalità attraverso cui avviene lo scambio di informazioni di input e output tra i due ambienti di simulazione, in grado di definire lo stato attuale del sistema. Disponendo di un modello accurato del modulo di potenza, che costituisce una sorta di banco prova virtuale dell’ORC, viene proposto l’uso di mappe di funzionamento della sezione di potenza come interfaccia tra i due ambienti di simulazione: ad ogni condizione operativa del campo solare, al variare delle condizioni di irraggiamento, è possibile ottenere da queste i parametri di funzionamento essenziali per stimare le prestazioni dell’impianto. Il modello per la simulazione dinamica risulta quindi costituito da:

• una sezione di potenza schematizzata con mappe operative, ottenute dal modello stazionario del ciclo ORC realizzato in HYSYS, come risulta dal paragrafo 3.3. Le mappe sono state ottenute per diversi valori della portata e della temperatura

74 dell’acqua in ingresso allo scambiatore, quindi per diverse portate di fluido operativo, e al variare della pressione di condensazione. Ad ogni valore della pressione di evaporazione, sono stati ottenuti punti di funzionamento a vari gradi di surriscaldamento, fino ad un massimo di 30°C. L’idea è quella di riprodurre mediante le mappe l’intero campo di funzionamento dell’ORC. Le tabelle ottenute sono tali che, fornendo in input la portata e la temperatura dell’acqua in ingresso al modulo ORC, si hanno in uscita i seguenti parametri: temperatura di ritorno dell’acqua che diventa il nuovo input per il campo solare, pressione di evaporazione, potenza elettrica netta, consumo degli ausiliari e velocità dell’espansore. Queste mappe costituiscono i punti di funzionamento del ciclo ORC in condizioni di sliding-velocity. Per poter riprodurre nelle simulazioni dinamiche la strategia di controllo dell’espansore sono state ottenute anche mappe relative alla velocità minima di 500 rpm. In questo caso la pressione di evaporazione è un parametro di output delle tabelle operative. Il passaggio dall’una tipologia di mappe all’altra è automatizzato mediante l’uso di una istruzione condizionale sul modello in AMESim. La scelta di trattare il modulo ORC con un modello stazionario implica il dover trascurare anche la dinamica del controllo. L’approssimazione risulta valida in quanto, come detta in precedenza, il controllo operato dall’espansore è attuato quasi istantaneamente. Questo non toglie di generalità al modello, in quanto i tempi caratteristici del controllo sliding- pressure/sliding-velocity dell’espansore considerato risultano essere dell’ordine di qualche minuto [38] (Figura 43). Per quanto riguarda il controllo sul grado di surriscaldamento del vapore, questa informazione non è direttamente controllabile, ma è implicita nelle mappe operative: il set-point sul grado di surriscaldamento determina la scelta del set di mappe su cui vengono elaborati i risultati.

Nelle figure che seguono sono riportati degli esempi grafici delle mappe operative fornite al modello in forma tabulare.

75 a) b)

c) d)

Figura 38: mappe operative della sezione di potenza (SV) in condizioni stazionarie relative a p_eva=28,4 bar, Tsh=130°C, p_cond=3,64 bar: a) Temperatura acqua di ritorno °C; b) velocità espansore rpm; c) potenza elettrica netta kW; d) potenza assorbita dagli ausiliari kW

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Figura 39: mappe operative della sezione di potenza a 500 rpm, p_cond = 3,64 bar: a) temperatura acqua di ritorno °C; c) pressione di evaporazione bar; d) potenza netta kW; d) consumo ausiliari kW

• Un modello dinamico dettagliato del campo solare. Nello specifico, il software usato per la modellazione del campo solare è LMS AMESim. Il modello si basa su un lavoro precedente modificato opportunamente per il caso in esame [35] ed è schematizzato in due sezioni separate: il campo solare con i collettori e il circuito del fluido termovettore, realizzati come due circuiti aperti. Per semplicità di calcolo, il campo solare è rappresentato da un solo array di 9 collettori in serie. La portata complessiva di fluido termovettore è ottenuta moltiplicando i valori forniti dal singolo array per il numero di file dell’intero campo.

A differenza di HYSYS, in questo ambiente di simulazione è possibile fornire tutte le indicazioni necessarie per modellare il comportamento del campo solare sull’arco temporale di un anno, mediante file .dat. Il campo solare legge in ingresso: la radiazione diretta incidente con discretizzazione oraria (i valori di riferimento sono quelli del CTI relativi alla località considerata); l’altezza solare in modo da tagliare la radiazione solare esterna all’angolo di accettazione; l’angolo di azimuth; la variazione oraria della temperatura ambiente. Per le simulazioni dinamiche è stato trascurato il contributo della radiazione diffusa raccolta dai collettori in quanto i dati a disposizione sono relativi alla componente diretta al suolo. Nel modello del campo solare è completamente definito loop di controllo della temperatura di uscita dai collettori, attuato dalla pompa di circolazione del fluido termovettore mediante un controllore PID che agisce sulla velocità di rotazione della pompa.

77 L’interfaccia tra il modello del campo solare e la sezione di potenza è stata realizzata in ambiente AMESim, attraverso l’uso delle librerie di segnali disponibili.

Figura 40: Modello del campo solare e del circuito dell’acqua in AMESim

In Figura 41 è riportato uno schema della logica di definizione delle informazioni di input e output al modello della sezione di potenza, che può essere riassunto come segue: 1- le mappe necessitano di almeno due informazioni di input dal campo solare, la portata e la temperatura dell’acqua all’uscita dai collettori, e di uno relativo alla temperatura ambiente (che definisce la pressione di condensazione); l’ulteriore informazione di input è quella relativa al valore di set-point della pressione: noto il valore attuale della pressione, il modello elabora le mappe SP o SV in base alle condizioni di pressione rispetto al valore di set-point; 2 - il modello dà in uscita l’informazione relativa alla temperatura dell’acqua di ritorno, che è il nuovo input per il campo solare, e quella sulla produzione elettrica; in modalità SP inoltre viene fornita la nuova pressione del ciclo, sulla quale viene definita l’istruzione condizionale che determina lo switch SP/SV; in modalità SV l’ulteriore output del modello è la velocità di rotazione attuale dell’espansore, che viene regolata per mantenere il set-point.

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Figura 41: Logica di definizione degli input/output tra il modellp AMESim e il modello HYSYS

In Figura 42 è riportato lo schema il modello realizzao in AMESim per le simulazioni dinamiche. Ciascun blocco in figura con tre ingressi e un'uscita rappresenta l'interfaccia tra il software e le mappe operative del ciclo ORC.

Il modello così definito per le simulazioni dinamiche è un modello zero-dimensionale transitorio in quanto non prevede una discretizzazione spaziale del campo. Lo scopo di questa modellazione è evidenziare gli effetti inerziali che non sono considerati nell’analisi stazionaria e valutare il loro impatto sulle prestazioni energetiche dell’impianto.

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80 L’ipotesi fondamentale su cui si basa il modello riguarda la possibilità di trascurare la dinamica del modulo ORC rispetto a quella del campo solare, in quanto i tempi di risposta della sezione di potenza risultano notevolmente più rapidi. La validità di questa ipotesi è stata verificata valutando i tempi di risposta del modello attuale ad una variazione a gradino sulla radiazione rispetto ai tempi di risposta predetti da un modello dell’impianto solare realizzato in uno studio precedente [38], nel quale è considerata anche la dinamica della sezione di potenza. Lo studio preso a riferimento è relativo alla modellazione di un impianto analogo realizzato in codice AMESim, che valuta la risposta dinamica della sezione di potenza. Poiché in AMESim non è possibile la definizione di una geometria rigorosa per gli scambiatori di calore, questi risultano semplificati con tubi di area equivalente all’area di scambio e con relative correlazioni di scambio termico. La risposta dinamica del modello attuale, in cui la sezione di potenza è semplificata con mappe operative stazionarie ottenute da un dimensionamento rigoroso della componentistica dell’ORC, viene confrontata con la risposta di un modello che valuta anche la dinamica dell’ORC, dimensionato con ipotesi semplificative relative all’off-design dei componenti e in particolare degli scambiatori di calore (Figure 44 e 45). Il confronto è stato fatto con medesimo numero di collettori. Il ritardo nella risposta del modello precedente rispetto al modello attuale è di circa 400s e corrisponde al tempo di risposta del ciclo ORC. Trascurare la dinamica del modulo ORC comporta un errore sul tempo caratteristico del sistema del 4,6% nella configurazione C=2 e del 2,2% nel caso C=1,25 (Figura 42 e 43). Sulla base di questi risultati, l’ipotesi per la definizione del modello si può ritenere valida. Questo risultato trova conferma in [38] (Figura 46) in cui vengono riportati i tempi caratteristici di risposta dell’espansore nelle due strategie di controllo sliding pressure-sliding velocity.

81 Figura 44: Risposta a variazione a gradino sulla radiazione del modello attuale

Figura 45: tempi di risposta espansore ciclo ORC [38]