Analisi di un impianto solare a concentrazione cogenerativo per applicazione in contesto rurale

The thesis has the goal to value the feasibility of a concentrating solar power plant working with an organic Rankine cycle, to be realized in rural areas; for this work, Tanzania has been taken as prime example. The subject has been chosen with the purpose of analyzing two technologies presently underused at commercial level, concentrating solar power and organic Rankine cycles, valuing whether, in particular application conditions, they could result convenient compared with conventional technologies. The thesis is composed by six chapters, in which the whole decision procedure regarding this project has been reviewed. The rst two chapters are a general introduction to the thesis, showing the argumentations on which the whole work has been developed. The present energy and political situation in Tanzania has been reviewed, paying attention to the problems related to low power grid penetration outside urban areas, concluding with a description of a typical rural village, inclusive of a power demand estimation method. The second chapter concerns ORC analysis and comparison with alternative power production systems, steam Rankine cycle and Stirling cycle, with a review of available power sources adapt to ORC power plants. A detailed ORC plant modeling has been described in the third chapter, the choice of every component has been validated, with particular attention on the heat collector model, developed basing on NREL method. In the forth chapter, di erent power plants analysis methods have been reviewed: energy, exergy, economic and exergoeconomic analysis. The last two chapters concern the results obtained with previously presented analysis methods, comparing the base solution with other power plants typically adopted in distributed generation scenarios: a gasoline generator and solar photovoltaic panels have been considered for power generation, a gas- red water heater and solar thermal collectors for thermal production.

La tesi si propone l'obiettivo di valutare la fattibilità di un impianto solare a concentrazione associato ad un ciclo Rankine organico cogenerativo da realizzare in zone rurali, studiandone l'applicazione in Tanzania, scelta come caso base. L'idea deriva dalla volontà di analizzare assieme due tecnologie attualmente poco utilizzate a livello commerciale, il solare a concentrazione e i cicli Rankine organici, valutando se in condizioni di applicazione particolari possano risultare convenienti rispetto alle tecnologie tradizionali. La tesi è suddivisa in sei capitoli, nel corso dei quali viene a rontato l'intero processo decisionale che interessa un progetto del genere. I primi due capitoli costituiscono l'introduzione generale alla tesi, fornendo le argomentazioni sulla base delle quali è stato sviluppato l'intero lavoro. Si inizia presentando la situazione politica ed energetica della Tanzania, le problematiche legate allo scarso sviluppo della rete elettrica al di fuori delle aree cittadine ed e ettuando una descrizione del tipico villaggio rurale e dei suoi fabbisogni energetici. Il secondo capitolo prosegue presentando i cicli Rankine organici, confrontandoli con le tecnologie concorrenti quali i cicli Rankine a vapore e i cicli Stirling, ed elencando le possibili sorgenti di calore applicabili ai cicli ORC, terminando con la spiegazione dei motivi per cui è stato scelto di adottare proprio un ciclo del genere. Nel terzo capitolo si descrive la modellazione dell'impianto in esame, dalla determinazione dei punti termodinamici di funzionamento alla scelta e descrizione dei singoli componenti adottati. Particolare attenzione viene dedicata al componente principale dell'impianto, ovvero i collettori solari: per calcolare con precisione l'output energetico che sono in grado di produrre si utilizza un metodo sviluppato da NREL (National Renewable Energy Laboratory) che sta alla base dell'intero modello dell'impianto. Nel quarto capitolo si presentano diversi metodi di valutazione dell'impianto, ognuno atto a descrivere la sua e cienza sotto diversi aspetti, pertanto si illustrano i metodi di analisi energetica, exergetica, economica e termoeconomica. Negli ultimi due capitoli in ne, si mostrano e discutono i risultati ottenuti tramite le analisi e ettuate in precedenza, confrontando la soluzioneimpiantistica adottata con le alternative più tradizionali, ovvero il generatore a gasolio e i pannelli fotovoltaici per la produzione di potenza elettrica, il boiler a gas e i pannelli solari termici per la produzione di potenza termica.