Progetto ottimo e analisi di fuori progetto di cicli ORC diretti ed indiretti per applicazioni solari a concentrazione

The thesis presents a study on concentrated solar power systems coupled with an ORC cycle and equipped with a thermal storage system. An optimization of a 1 MWe plant is proposed in two different configurations: direct cycle and indirect cycle. A wide range of organic fluids is taken into consideration and an analysis at different maximum temperature acceptable by the solar field is carried out. The optimization is performed by means of a Matlab code: the results are reported in terms of global efficiency and equivalent electricity energy density of the storage. All these results are compared for a wide temperature range of the solar field. In addition, at a single solar field temperature, taking into consideration the best fluid and the best layout of the two configurations, an off-design analysis is performed to evaluate the behaviour of the system with the variation of the ambient temperature and mass flow rate extracted from the hot tank. Various control techniques are proposed in order to respect some external constraints: the most important is the inlet temperature in the cold tank which has to be maintained at nominal values. For each control strategy, the results are presented through contour plots to show how a particular parameter is modified in off-design conditions. Finally, comparisons are made between the results of the different control strategies to establish the most efficient for both direct and indirect cycles. The best results of the two configurations are then compared in order to determine the most convenient layout. From the results, it is possible to observe that the indirect cycle represents the best configuration both in nominal and in off-design conditions at high solar field temperatures, although the direct cycle shows a better off-design behaviour. At low temperatures acceptable by the solar field, the gap in nominal conditions between the two configurations is shortened, allowing the direct cycle to be competitive especially thanks to a more efficient off-design control.

La tesi riporta uno studio su impianti solari a concentrazione accoppiati con un ciclo ORC e provvisti di un sistema di accumulo termico. Si propone un’ottimizzazione di un impianto da 1 MWe per una vasta gamma di fluidi organici e in due differenti configurazioni: ciclo diretto e ciclo indiretto. L’ottimizzazione viene eseguita attraverso un codice Matlab: i risultati vengono riportati in termini di efficienza globale dell’impianto e di densità energetica del sistema di accumulo. Attraverso tali risultati è possibile confrontare le varie configurazioni per un ampio intervallo di temperatura del campo solare. Inoltre, ad una singola temperatura del campo solare, prendendo in considerazione il miglior fluido e la migliore tipologia d’impianto delle due configurazioni, viene eseguita un’analisi di fuori progetto per valutare il comportamento dell’impianto al variare della temperatura ambiente e della portata estratta dal serbatoio caldo. Vengono proposte varie tecniche di regolazione al fine di rispettare alcuni vincoli esterni: per ogni tecnica di regolazione i risultati sono presentati attraverso delle curve di livello per mostrare come si modifica un particolare parametro nelle condizioni di fuori progetto. Vengono infine effettuati dei confronti tra i risultati delle varie strategie di regolazione per stabilire la più efficiente sia per i cicli diretti sia per i cicli indiretti. I migliori risultati delle due configurazioni sono poi paragonati per poter determinare la tipologia di ciclo più conveniente. Dai risultati si può osservare che il ciclo indiretto rappresenta la migliore configurazione d’impianto sia in condizioni nominali sia di fuori progetto per elevate temperature del campo solare, nonostante il ciclo diretto mostri un miglior comportamento in seguito alle regolazioni. A basse temperature ammissibili dal campo solare il divario in condizioni nominali tra le due configurazioni si accorcia, permettendo al ciclo diretto di essere competitivo soprattutto grazie ad una regolazione fuori progetto più efficiente.