Page 1
REPUBBLICA ITALIANA
Cagliari, 20 novembre 2015
Laboratori del DIMCM per lo studio e la sperimentazione di sistemi di
accumulo dell’energia termica
Prof. Ing. Giorgio Cau
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali
Università di Cagliari
Page 2
Sistemi a calore sensibile (“Sistemi a termoclino”)
Sistemi a calore latente (Sistemi a “PCM”, Phase Change Materials)
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM
Page 3
Calore sensibile – “Sistemi a termoclino”
Sistemi di accumulo a termoclino in letti di materiale solido impaccato con
fluidi termovettori (HTF) gassosi
Studi sperimentali e numerici sulla formazione del termoclino e sulle
prestazioni dei sistemi di accumulo termico
Valutazione delle prestazioni durante cicli ripetuti di carica e scarica
Identificazione dei criteri ottimali di gestione e controllo dei processi di
carica/scarica
Valutazione sperimentale delle prestazioni di prototipi
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM
Page 4
Impianto a circuito aperto con aria come HTF
Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI
Page 5
Impianto a circuito aperto con aria come HTF
Altezza e diametro del letto di materiale solido: 1.8 – 0.58 m
Materiale solido: sferette di allumina, diametro 7-9 mm
Capacità di accumulo: fino a 72 kWh
Potenza termica (in carica): fino a 70 kW
Temperatura massima dell’HTF: 300 °C
Pressione atmosferica
Inverter
PID̴
400 V
Q
ScrewCompressor255 – 940 m3/h
CompressorControl Panel
HeaterControl Panel Electric Heater
70 kW, 25 - 300°C
Insulatedsteel tank
TQ PQ
Thermocouples
NI cDAQ
TD
TC
V1
V3
V2
Vent
Vent
PB
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI
Page 6
Sferette di allumina sinterizzata
Diametro:7-9 mm
Diametro interno del serbatoio: 0.58 m
Altezza del letto: fino a 1.8 m
“Rack” termocoppie
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI
Page 7
Sono stati svolti studi sperimentali per indagare sull’influenza delle caratteristiche operative e
costruttive (portata massica di HTF, temperatura dell’HTF, “aspect ratio” del letto, ecc.) sulla
formazione del termoclino e sul comportamento del TES nel caso di cicli ripetuti di carica/scarica.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1
x/L
1/3 tch
2/3 tch
3/3 tch
3/3 tdisch
0 0.2 0.4 0.6 0.8 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1
r/R
1/3 tch
2/3 tch
3/3 tch
3/3 tdisch
minmax
min
TT
TT
External
Wall
r/Rx/L
θθ
Charge
Discharge
BottomTop
Dimensionless temperature
Indicative of
the Useful
Energy
T=Tmin θ = 0
T=Tmax θ = 1
1/3
2/3 3/3
3/3
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI
Page 8
Gli studi sperimentali hanno evidenziato l’influenza della parete esterna del serbatoio sulla
distribuzione radiale di temperatura che incide sulla quantità di energia che può essere accumulata.
Questo aspetto è stato analizzato mediante modelli CFD 2-D and 3-D per una migliore previsione
del campo di temperatura del sistema e della sua evoluzione durante le fasi di carica/scarica.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Fig. 4 Contour plots of tank temperature at interval of 1/5 of the overall time of charge
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI
Page 9
Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF
Altezza e diametro del letto: 0.9 – 0.30 m
Materiale solido: sferette di allumina, diametro 1.5-2.5 mm
Capacità di accumulo: fino a 5 kWh
Potenza termica (in carica): fino a 6 kW
Temperatura massima dell’HTF: 150 °C
Pressione massima dell’HTF: 5 bar
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI
Page 10
Diametro sferette:
1.5-2.5 mm 7-9 mm Compressore CO2
Diametro interno serbatoio: 0.30 m
Altezza del letto: fino a 0.90 m
Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI
Page 11
Calore Latente – Sistemi con materiali a cambiamento di fase (PCM)
Scelta dei materiali (campo di temperatura di interesse, caratteristiche di fusione e solidificazione,
cicli termici, compatibilità con altri materiali, vita utile, etc.)
Sviluppo di sistemi di accumulo, attrezzature e dispositivi (analisi numerica, indagini sperimentali,
modelli di simulazione)
Valutazione del decadimento delle prestazioni durante cicli ripetuti di carica e scarica
Identificazione dei criteri ottimali di gestione e controllo dei processi in funzione del tipo di PCM e
dell’applicazione
Ottimizzazione delle prestazioni mediante tecniche di miglioramento dello scambio termico
Valutazione sperimentale delle prestazioni di prototipi
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM
Page 12
Sistema di accumulo a PCM – configurazione a “tubi e mantello”
Capacità di accumulo: ≈ 6 kWh
Temperatura di carica dell’HTF: 200 °C
Temperatura a fine scarica dell’HTF: 100 °C
PCM: Hydrochinone
Massa di PCM: 104 kg
Superficie di scambio termico: 2.49 m2
Lunghezza: 2.44 m
Diametro: 0.254 m
Numero di tubi: 17
Processo di carica Processo di scarica
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM
Page 13
Sistema di accumulo a PCM – configurazione a “tubi e mantello”
Capacità di accumulo: ≈ 3 kWh
Temperatura di carica dell’HTF : 180 °C
Temperatura a fine scarica dell’HTF: 100 °C
PCM : Mannitol
Massa di PCM:
Caso 1: 23.4 kg
Caso 2: 23.4 kg
Caso 3: 22.8 kg
Superficie di scambio termico :
Caso 1: 0.077 m2
Caso 2: 0.568 m2
Caso 3: 0.730 m2
Case 1 Case 2 Case 3
Caso 1 – Doppio tubo
Caso 2 – Scambiatore “triplex”
Caso 3 – “triplex” con alette circolari
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM
Page 14
Caso 1 – Doppio tubo
Caso 2 – Scambiatore “triplex”
Caso 3 – “triplex” con alette circolari
Charge process Discharge process
Profili di temperatura
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM
Page 15
Case 3Case 2Case 1
Evoluzione delle fasi – Processo di scarica
Zona rossa: PCM solido
Zona blu: PCM liquido
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM
Page 16
Evoluzione delle fasi – Processo di carica
Zona rossa: PCM solido
Zona blu: PCM liquido
Case 1 Case 2 Case 3
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM
Page 17
Potenza elettrica in carica (EH): fino a 40 kW
Potenza termica in scarica (CHE): 170 kW
Capacità di accumulo dei PCM-TES: fino a 300 kWh
Temperatura massima dell’HTF: fino a 350 °C
IMPIANTO DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI DI ACCUMULO
TERMICO A PCM E DI ALTRI SISTEMI DI ACCUMULO DIRETTO E INDIRETTO
Page 18
Prototipo di accumulatore a PCM del tipo a “tubi e mantello”
Temperatura di fusione: 167 °C
Capacità di accumulo: 5.7 kWh
IMPIANTO DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI DI ACCUMULO
TERMICO A PCM E DI ALTRI SISTEMI DI ACCUMULO DIRETTO E INDIRETTO
Page 19
Modellazione, progetto, simulazione, previsione delle prestazioni e
ottimizzazione di:
Collettori solari e campi solari a concentrazione
Impianti motori a vapore per applicazioni CSP
Impianti motori a fluido organico (ORC) per applicazioni CSP
Integrazione di impianti CSP e impianti a combustibili fossili (incluse le CCS)
Accumulo dell’energia termica
Supporto tecnico-scientifico al progetto degli impianti CSP sperimentali nelle aree
industriali di Ottana, Villacidro e Tortolì (campo solare, motore termico e sistema
di accumulo termico)
Supporto tecnico-scientifico alla sperimentazione e alla gestione dell’impianto CSP
di Ottana
ATTIVITÀ DI RICERCA SUGLI IMPIANTI SOLARI A CONCENTRAZIONE (CSP)
Page 20
Impianto sperimentale di Ottana
Superficie di raccolta: 8.400 m2
Potenza termica del campo solare: 4.690 kWt
Accumulo termico: 14.7 MWh (2 serbatoi C/F)
Potenza del motore ORC: 600 kWe
Potenza del CPV: 400 kWe
Accumulo elettrico: batterie SoNick, 430 kWh
ATTIVITÀ DI RICERCA SUGLI IMPIANTI SOLARI A CONCENTRAZIONE (CSP)