Solar cooling systems utilizing concentrating solar collectors; design, experimental evaluation & optimization

This thesis reports on the design, experimental evaluation and optimization of a novel solar cooling concept that allows a high temperature lift. Through applying this concept, very low temperatures (about –10 °C) on the cold side can be achieved in hot climates while employing a dry air heat rejection system that does not need water. Under these operating conditions, thermodynamic analysis revealed that high efficient solar collector system is needed, and thus the system configuration consists of an air-cooled single-effect water ammonia absorption chiller that is driven by a medium temperature heat source (e.g. parabolic trough and Linear Fresnel reflector collectors). Throughout the present work, two pilot plants based on this concept were designed and installed for a Tunisian beverage factory and a Moroccan dairy factory. The development of the system concept, the detailed design and the components sizing have been implemented through simulations of the system behavior using the TRNSYS’s simulation platform. For this purpose mathematical models of the concentrating collector and the absorption chiller were implemented. A monitoring system, based on the unified monitoring procedure developed within the experts group of Task 38 SHCP-IEA, was designed and all monitoring sensors have been calibrated and a data acquisition system was programmed using the software LabVIEW. The results of the extensive experimental work on the pilot plants have been used to assess the performance of the systems as well as to calibrate and validate the TRNSYS models. The validated models were used for further simulation campaigns aiming at defining the optimum operating points of the whole system and tracing a path towards the plant performance improvement. Several parameters of the control strategy have been studied through the coupling of TRNSYS simulation software with GenOpt optimization software. The results highlighted the higher impact of some optimization options. Monitoring results showed that 44% improvement of the primary energy savings of the system has been achieved by applying the optimization procedure. Further optimization options investigating components design showed that 45% improvement of the primary energy savings of the system could be achieved.

In questa tesi di dottorato si affronta la progettazione, l’analisi sperimentale e l’ottimizzazione di un innovativo concetto di solar cooling ad elevato salto di temperatura. La peculiarità del sistema in esame consiste nell’elevata differenza che esiste tra la bassa temperatura del refrigerante nell’evaporatore (circa -10°C) e l’alto livello di temperatura ambiente (superiore anche a 40°C) al quale il sistema di smaltimento del calore può lavorare. L’analisi termodinamica ci ha consentito di determinare le principali caratteristiche di configurazione del sistema a queste condizioni operative, che consistono in un chiller ad assorbimento acqua/ammoniaca a singolo effetto raffreddato ad aria alimentato da una sorgente di calore a media temperatura (ad esempio un collettore parabolico o di tipo lineare Fresnel) Durante lo sviluppo del presente lavoro, due impianti pilota, basati su questo concetto, sono stati progettati e installati a servizio di una cantina tunisina e di un caseificio marocchino. Lo sviluppo del sistema, la progettazione di dettaglio e il dimensionamento delle varie componenti sono stati realizzati mediante l’uso della piattaforma di simulazione TRNSYS. A questo scopo sono stati implementati i modelli matematici del collettore a concentrazione e del chiller ad assorbimento. Un sistema di monitoraggio è stato progettato sulla base della procedura unificata di monitoraggio adottata all’interno del gruppo di esperti del TASK 38 SHCP-IEA e tutti i sensori sono stati calibrati. Il sistema di acquisizione dati è stato programmato utilizzando il software LabVIEW. I risultati delle attività di monitoraggio effettuati sugli impianti sperimentali sono stati utilizzati per valutare le prestazioni del sistema, nonché per calibrare e validare i modelli realizzati in TRNSYS. I modelli validati sono stati poi usati per ulteriori campagne di simulazione con l’intento di definire i punti di funzionamento ottimale dell’intero sistema e delle singole componenti ed individuare le strategie per ottimizzare le performance dell’impianto. Sono state quindi studiate differenti opzioni di controllo mediante l’uso congiunto del software di simulazione TRNSYS con quello di ottimizzazione GenOpt. I risultati hanno sottolineano l’impatto più elevato di alcune scelte rispetto ad altre. I risultati di monitoraggio hanno dimostrato che la procedura di ottimizzazione ha comportato un miglioramento del 44% in termini di risparmio di energia primaria del sistema. Ulteriori opzioni di ottimizzazione hanno evidenziato che Il risparmio di energia primaria del sistema potrebbe essere migliorato ancora del 45%.