Prove sperimentali termiche, ambientali ed elettriche su un micro-cogeneratore basato su un sistema termo-fotovoltaico alimentato a gas naturale

Micro-cogeneration is the simultaneous production of heat and power (CHP-combined heat cycle) that allows high primary energy savings. This technology finds applications in an international context, in which the concepts of distributed generation and decentralized production of energy are continuing to expand, offering considerable advantages by reducing transmission losses and lowering the maintenance costs of distribution network. The micro-cogenerator in question, based on a thermo-photovoltaic (TPV) system powered by natural gas, is a prototype built by Riello S.p.A. and developed in partnership with the Laboratory of Micro-Cogeneration of Politecnico di Milano inside national project PIACE. The TPV system produces thermal energy through heat recovery from the flue gases and is also able to generate electric energy using the photoelectric effect. The micro-cogenerator is an elliptical chamber in which there are two focal points: a cylindrical emitter and receiver prism, with a triangular base where are glued the photovoltaic cells. The photovoltaic cells respond to infrared radiation from the emitter in order to produce DC electrical power. The objective of this project on the system TPV, which was the object of study of this thesis, is to provide a detailed analysis of the thermal performance of the machine and to carry out a mapping of the temperatures on the prism receiver. This analysis is of critical importance because the glue that holds the PV cells to the receiver prism begins to have sealing problems at the temperature above 55°C, which in turn compromise the performance of the PV cells. In the first phase of the work we tried to define the characteristic of the machine by fastening it to the various circuits of the laboratory and carrying out tests in the steady state without the insertion of the prism receiver. By varying the temperature of water return, the thermal performance of the system was calculated. In a second phase we tried to introduce receiver prism, testing various configurations of cooling within the tubular cavity of the triangular prism and performing a temperature mapping through the thermocouple using a fictitious prism devoid of cells. A special circuit for the air cooling was prepared using different methods of air flow introduction. The poor results of the thermal performance obtained by a rapid reworking data via a spreadsheet containing also the calculation of the propagation of errors according to the ISO / IEC Guide 98-3, derived from a high thermal dispersion observed between the top and bottom surface of the elliptical room. The results of the second experimental campaigns performed with the inclusion of the receiver prism not only revealed a deterioration of thermal performance due to air cooling that removes water thermal power cogeneration, but also showed a negative thermal state of the surfaces of the prism during the tests, going beyond the limits of the cells operating temperature. Later it was decided to use water as a cooling fluid, checking the good quality of heat exchange of the water with respect to air and certifying a considerable reduction of the temperature over all the surfaces of the prism. It was decided to introduce the receiver prism with the germanium photovoltaic cells to make electrical measurements, in such a way as to build the current-voltage characteristic curve of the 3 generators. Once prepared and set up all over the resistive electric circuit, an unexpected accumulation of gases inside the combustion chamber occurred. Not having a control valve which automatically closes the gas flow when the combustion is not triggered, there has been a little deflagration which compromise the correct operation of the combustion chamber. It was then established the end of the experiments, confirming the negative outcome of electrical tests.

La micro-cogenerazione consiste in un processo di produzione combinata di energia elettrica e termica che consente di avere un elevato risparmio di energia primaria e trova applicazione in uno scenario internazionale in cui si sta espandendo sempre maggiormente il concetto di generazione distribuita e quindi di produzione decentralizzata dell’energia che porta notevoli vantaggi in termici di costi di manutenzione delle reti di distribuzione e riduzione delle perdite di trasmissione. Nell’ambito del progetto nazionale PIACE (Piattaforma Intelligente, Integrata e Adattiva di Micro-Cogenerazione ad elevata Efficienza per usi residenziali), l’azienda Riello S.p.A. in partnership con il Laboratorio di Micro-Cogenerazione (LMC) del Politecnico di Milano ha svolto lo sviluppo e la realizzazione di un micro-cogeneratore basato su un sistema termo-fotovoltaico (TPV) alimentato a gas naturale. Il sistema TPV in questione, è un prototipo realizzato da Riello S.p.A. che produce energia termica cogenerativa grazie al recupero termico dai gas combusti ed è in grado anche di generare energia elettrica sfruttando l’effetto fotoelettrico. Il micro-cogeneratore è formato essenzialmente da una camera ellittica in cui nei due fuochi sono presenti una sorgente di calore, composta da un bruciatore e un emettitore, e un prisma ricevitore a base triangolare in cui sono incollate delle celle fotovoltaiche sensibili alla radiazione infrarossa proveniente dall’emettitore al fine di produrre potenza elettrica in corrente continua. L’obiettivo di questo progetto sul sistema TPV in collaborazione con Riello S.p.A., che è stato l’oggetto di studio di questo lavoro di tesi, è quello di fornire una dettagliata analisi delle prestazioni termiche delle macchina e di effettuare una mappatura delle temperature sul prisma ricevitore tramite delle termocoppie in quanto superata all’interno della cavità tubolare ellittica una temperatura di 55°C, la colla che tiene unite le celle al prisma comincia ad avere problemi di tenuta compromettendo il funzionamento delle celle. In una prima fase si è cercato di caratterizzare la macchina allacciandola ai circuiti idraulici del laboratorio, alla linea gas, alla linea fumi e alla linea condense e si sono eseguite delle prove in stato stazionario senza l’inserimento del prisma ricevitore al variare della temperatura dell’acqua di ritorno per calcolare e ottenere le prestazioni termiche del sistema. In una seconda fase sono state provate e testate varie configurazioni di raffreddamento all’interno della cavità tubolare del prisma triangolare effettuando una mappatura delle temperature ed utilizzando un prisma fittizio sprovvisto di celle. E’ stato predisposto a tal proposito il circuito di raffreddamento interno prima con aria scaricata in ambiente e successivamente con aria integrata, ovvero mandata al combustore. In entrambe le configurazioni sono state utilizzate diverse modalità di introduzione dell’aria di raffreddamento del prisma e sono state effettuate anche in queste campagne sperimentali prove in stato stazionario. I deludenti risultati delle prestazioni termiche ottenute tramite una rapida rielaborazione dati tramite un foglio di calcolo contenente anche il calcolo della propagazione degli errori secondo la norma ISO/IEC Guide 98-3, derivano da un’elevata dispersione termica riscontrata tra la superficie superiore e inferiore della camera ellittica. I risultati delle campagne sperimentali con l’inserimento del prisma svolte nella seconda fase non solo hanno rilevato un peggioramento delle prestazioni termiche in quanto l’aria di raffreddamento asporta potenza termica all’acqua cogenerativa ma hanno evidenziato un profilo termico delle temperature sul prisma al di fuori del limite di temperatura di funzionamento delle celle. Si è quindi in seguito deciso di cambiare fluido di raffreddamento e di utilizzare acqua. La terza fase ha avuto quindi il merito di verificare le ottime qualità di scambio termico dell’acqua rispetto all’aria attestando un notevole abbattimento delle temperature su tutte le superfici del prisma. Dopo aver trovato quindi la configurazione ottimale del circuito di raffreddamento ad acqua in grado di smaltire potenza termica e abbassare le temperature sulle 3 facce del prisma triangolare, si è deciso si introdurre il prisma ricevitore con le celle fotovoltaiche al germanio per effettuare delle misure elettriche e in modo tale da poter ricavare e costruire la curva caratteristica corrente- tensione dei 3 generatori. Una volta predisposto e allestito tutto il circuito elettrico resistivo si è verificato un imprevisto accumulo di gas all’interno della camera di combustione, e visto il frequente uso della macchina e non avendo una valvola di controllo automatico in grado di bloccare il flusso di gas quando la combustione non è innescata, si è verificata una ridotta deflagrazione che ha compromesso il corretto funzionamento del combustore, tra l’altro già usurato, e dell’emettitore costituito da un tubo di quarzo che ha segnato la fine della sperimentazione e l’esito negativo delle prove elettriche.