Producibilità specifica annua in condizioni dinamiche

Per valutare l’impatto degli effetti inerziali sulle prestazioni dell’impianto è stata calcolata la producibilità dell’impianto lungo l’arco temporale di un anno. Come per il caso stazionario, i dati sono stati elaborati nella forma di mappe di producibilità specifica in funzione della temperatura di surriscaldamento e della pressione di evaporazione del ciclo ORC (Figura 55 e Figura 56). Analogamente a quanto fatto nel caso stazionario, le simulazioni annuali sono state ottenute per ciascun mese in modo da ottenere anche informazioni relative alla producibilità mensile.

I modelli concordano nel predire i valori della pressione di set-point e del grado di surriscaldamento che massimizzano la producibilità per la configurazione con C=2, a causa del minore peso degli effetti inerziali. Un maggiore scostamento si nota invece nella configurazione con C=1.25 sul valore della pressione ottimale. Valgono anche in questo caso le considerazioni relative ai rendimenti del ciclo e dei collettori; in questo caso però, la producibilità è influenzata dall’inerzia del campo, che agisce come un pozzo nelle fasi di riscaldamento e come una sorgente termica nelle fasi di raffreddamento dell’impianto e che determina un diverso aspetto delle mappe operative. Infatti se nel caso stazionario risultavano poco vantaggiosi i valori di set-point alle basse pressioni (per via della minore efficienza del ciclo ORC) e alle pressioni massime (in cui risulta penalizzata l’efficienza dei collettori), dal modello dinamico si individua una zona di minimo dell’energia prodotta per i più bassi valori del grado di surriscaldamento, e che interessa tutto il range delle pressioni del campo di applicabilità dell’isobutano

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Figura 56: Producibilità specifica annuale (kWh/m2_{) in condizioni stazionarie C=2}

La differenza tra dai due modelli risulta evidente per quanto riguarda i valori di producibilità specifica predetti: il modello stazionario sovrastima l’energia specifica prodotta di un fattore 1,75 per la configurazione C=1,25 e di un fattore 1,68 nel caso C=2. La maggiore producibilità stimata nel caso stazionario è dovuta ai seguenti motivi:

• il modello stazionario trascura i transitori di start-up. L’energia richiesta dalle operazioni di avviamento, necessaria a riscaldare i materiali dei collettori e il fluido termovettore influenza fortemente la produzione specifica annuale del CSP. Nel modello stazionario si assumeva la corrispondenza in termini di durata temporale tra il periodo di insolazione dei collettori e il periodo di funzionamento dell’impianto, ma l’analisi dinamica ha evidenziato i limiti di questa assunzione: il funzionamento giornaliero dell’impianto interessa un arco di tempo minore rispetto all’intervallo che intercorre tra l’ora di alba e quella di tramonto dei collettori.

• Il modello stazionario non considera gli effetti di ombreggiamento tra i collettori di un array che si traduce in una riduzione dell’energia utilmente raccolta dal campo.

• Il metodo di Liu-Jordan con il quale è stato trattato il modello stazionario prende in considerazione anche il contributo della radiazione diffusa, che ha un peso relativo maggiore nei mesi invernali. La producibilità in condizioni transitorie è stata invece valutata con la sola DNI, in quanto non risultavano disponibili dati più dettagliati. Inoltre le simulazioni stazionarie sono state fatte con un valore costante della radiazione

91 per tutti i giorni del mese, quando invece la simulazione del funzionamento in condizioni reali ha messo in evidenza come la produzione sia notevolmente ridotta, se non nulla, nelle giornate nuvolose.

• Il modello stazionario permette di valutare il funzionamento soltanto nelle ore di insolazione, e non prende in considerazione il raffreddamento dell’acqua durante le ore notturne. I transitori notturni hanno un peso non trascurabile in quanto determinano un raffreddamento dell’acqua a temperature prossime alla temperatura ambiente.

In Figura 57 è riportata la producibilità specifica mensile predetta dal modello dinamico per quattro valori della pressione di set-point, al grado di surriscaldamento che ottimizza la produzione energetica. Dai diagrammi di producibilità mensile risulta che in condizioni di funzionamento reali l’impianto è sempre produttivo in tutto il range di pressioni considerate. Le semplificazioni adottate nel modello stazionario, relative all’uso di un valore costante medio mensile della radiazione solare, escludevano dal campo di produttività dell’impianto i valori alti delle pressioni, in quanto le portate dei fluidi risultavano al di fuori del campo di modularità degli scambiatori. Nel modello dinamico proposto questa situazione non si verifica in quanto:

• l’operatività dell’impianto è simulata in condizioni di irraggiamento reale: nei mesi invernali, la variazione oraria della radiazione solare e l’effetto dell’angolo di incidenza rendono l’impianto produttivo alle alte pressioni, anche solo per alcune ore del giorno; • la potenza netta erogata dall’impianto risulta da un processo di interpolazione del

software AMESim dei punti di funzionamento delle mappe operative: nelle ore del giorno in cui la portata risultante non darebbe soluzione in un modello completamente realizzato in HYSYS, AMESim può invece dare una soluzione che risulta dall’interpolazione al di fuori del campo di funzionamento delle mappe. In questi giorni l’operatività effettiva dell’impianto predetta dal modello andrebbe verificata sul modello HYSYS, con i valori orari di radiazione effettiva e temperatura. Questo aspetto risulta essere uno degli svantaggi principali derivanti dall’integrazione di due modelli realizzati in due codici diversi. Tuttavia, poiché la griglia di valori con cui sono state ottenute le mappe è stata scelta in seguito a vari tentativi a grado di finezza crescente, l’errore risultante dell’interpolazione si può ritenere trascurabile per gli scopi di questo lavoro. Una maggiore precisione nella previsione del funzionamento alle alte pressione nei mesi critici può essere ottenuta in lavori successivi, in cui il grado finezza della griglia sia sottoposto ad una analisi di sensitività.

92 (a)

(b)

Figura 57:Producibilità mensile ottenuta dal modello dinamico

C=1,25 C=2

Energia raccolta dai collettori kWh/m2 _{1768 1686}

Produzione specifica netta kWh/m2 _{54,56 64,02}

Consumo ausiliari kWh/m2 _{31,11 31,09}

Rendimento ORC % 8,25 9,65

Efficienza collettori % 37,38 39,34 Rendimento globale % 3,085 3,797 Tabella 6: Risultati simulazioni dinamiche in condizioni di funzionamento reali

93 Dal confronto dei risultati delle simulazioni annuali in condizioni di funzionamento reali (Tab. 6) con quelli predetti dal modello stazionario (Tab. 5), emergono alcuni aspetti: i parametri termodinamici ottimali, la quantità di energia raccolta dai collettori e la produzione energetica specifica annuale mostrano delle discrepanze tra i due modelli. Queste emergono anche dall’aspetto delle mappe di producibilità, in particolare per il caso C=1,25. I motivi principali di queste differenza sono legati agli effetti dell’inerzia termica, che non vengono computati nel modello stazionario, e che comportano una riduzione dell’efficienza globale dell’impianto. Il consumo in termini di energia elettrica degli ausiliari nel funzionamento annuale è una quota non trascurabile della produzione energetica lorda, in quanto incide per il 33-36%. La voce ausiliari computa i consumi della pompa del ciclo e dei fan, tuttavia l’uso delle mappe operative non permette di scindere le due quote. Il rendimento globale dell’impianto nel funzionamento annuale è compreso tra il 3,09% per il caso C=2 e il 3,80% per il caso C=1,25 in linea con i valori riportati in letteratura su impianti di taglie analoghe con collettori statici.

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