Utilizzo dell'anidride carbonica in sistemi solari a concentrazione lineare

The solar power sector had ups and downs. The construction of the Solar Energy Generating Systems (SEGS) in California was followed by a long period of stagnation until 2006, when two new plants were built, one in Spain and one in Nevada. Currently, we are witnessing a moment of particular activity: many technologies are entering the stage of commercial development and many new plants are being built. In this context of strong development, this thesis aims to examine the possibility of using carbon dioxide in linear solar concentrated systems. The first step is to clarify the reasons of this choice and to highlight the strengths and the weaknesses, so that a comparison with current commercial solutions (represented by synthetic oils and molten salts mixtures) can be made. Subsequently, the behavior of the solar collector, with CO2 passing in it, is explored by using a thermo-fluid-dynamics model. This model has been expanded with the description of the fluid distribution grid in order to simulate the operation of the entire solar field, which is coupled with a power cycle. Thus, we were able to find out the length of collector loops and the arrangement of the field’s sections that allow the best compromise between pressure drop, heat losses and reflecting surface extension. Thanks to the model, we had the possibility to calculate the data about the functioning of the linear receiver, in order to perform a thermo-structural analysis of the steel pipe. This study was crucial to verify the technological feasibility of using CO2 and to guide the choice of the correct linear manifold. Finally, we tested the performances of a plant using the CO2 directly as working fluid: we analyzed different thermodynamic cycles and, in our opinion, we selected the best one. The model of this cycle, then, has been integrated with the model of the solar field to test its usability.

Il settore del solare termodinamico ha subito fasi alterne. Ad un inizio molto vivace, con la costruzione degli impianti Solar Energy Generating Systems (SEGS) in California, ha seguito un lungo periodo di stasi fino al 2006, anno in cui sono stati realizzati due nuovi impianti, uno in Spagna uno in Nevada. Attualmente si sta assistendo ad un momento di particolare fermento: molte tecnologie sono entrate nello stadio di sviluppo commerciale e numerosi nuovi impianti stanno per essere realizzati. In questo contesto di forte sviluppo, il presente lavoro di tesi vuole indagare la possibilità dell’utilizzo dell’anidride carbonica in sistemi solari a concentrazione lineare. Il primo passo è chiarire i motivi di questa scelta, evidenziandone pregi e difetti. Quindi, si è fatto un paragone con le attuali soluzioni commerciali, rappresentate dagli olii sintetici a dalle miscele di sali fusi. Successivamente si è valutato il comportamento del collettore solare percorso da CO2 tramite un modello termofluidodinamico appositamente sviluppato. Questo stesso modello è stato ampliato con la descrizione della rete di distribuzione del fluido, in modo da poter simulare il funzionamento dell’intero campo solare asservito ad un ciclo di potenza. Si è così potuto ricercare la lunghezza dei loop di collettori e la disposizione delle sezioni del campo che consentano il miglior compromesso tra perdite di carico, perdite termiche e estensione della superficie riflettente. Per mezzo del modello si sono potute calcolare le condizioni di funzionamento degli assorbitori; si è quindi eseguita un’analisi termostrutturale del tubo in acciaio. Questo studio è stato decisivo per verificare la fattibilità tecnologica dell’utilizzo della CO2 ed orientare la scelta del tipo di collettore lineare da utilizzare. Infine, si è voluta studiare la possibilità di realizzare un impianto che utilizzasse la CO2 direttamente come fluido di lavoro. Si sono analizzati diversi cicli termodinamici e si è selezionato quello ritenuto superiore. Al modello di questo ciclo si è integrato il modello del campo solare per verificarne la fattibilità.