Modellizzazione e ottimizzazione di accumuli termici gas-solido in impianti solari termodinamici

The aim of this thesis is to define the behaviour of a thermocline thermal energy storage in which a gaseous fluid yields or absorbs heat from a loosely packed bed of solid particle. A one-dimensional model is developed. It includes heat transmission between the two phases, thermal loss, heat conduction and pressure drop using some experimental correlations. A finite volume method is adopted to calculate pressure and temperature fields, then the model is validated with experimental data available in the literature. First the effects of each parameter on the temperature and pressure field are investigated, then the issues related to pressurized carrier fluid and in particular the expansion of the thermocline zone where the heat is deplated. A fundamental parameter in management is the threshold temperature value in discharge phase. Secondly the storage is coupled with a 50 MW concentrated solar power plants with a 3-hours thermal storage. The innovative aspect of the research is the utilization of a gaseous carrier fluid rather than liquid. Structural constraints and storage dimensions are observed and several simulations are done with flow and temperature from solar field provided by a previous economical optimisation. The performance of the storage is tested by defining some indicators and estimating the electrical output with a model which describe the whole plant. Finally the thermocline storage is compared with an indirect molten salt dual tank with the same thermal capacity. The main problem seems to be the large thermal losses due to the high surface to volume ratio imposed by pressure, only secondarily the heat depleted in thermocline zone.

Lo scopo di questa tesi è determinare il comportamento di sistemi di accumulo termico gas-solido di tipo termoclino nel quale il fluido cede o assorbe calore ad un letto impaccato di particelle disposte in maniera casuale. È stato creato un modello monodimensionale che include la trasmissione di calore tra le due fasi, le perdite termiche verso l'ambiente, la conduzione termica e le perdite di carico del fluido avvalendosi di alcune correlazioni sperimentali. È stata adoperata una risoluzione numerica ai volumi finiti per calcolo dei campi di temperatura e di pressione ed è quindi stato validato il modello con dati sperimentali presenti in letteratura. Dapprima viene studiata l'influenza di ogni parametro, le problematiche legate all'utilizzo di gas in pressione ed in particolare la dilatazione della zona a gradiente termico tipica di questi serbatoi. Si scopre come un parametro fondamentale nella gestione sia la temperatura di estrazione ammissibile in fase di scarica. Successivamente l'accumulo viene integrato in un impianto solare termodinamico da 50 MW in cui è stato previsto un accumulo termico di 3 ore. L'aspetto innovativo è l'uso sia nel campo specchi che nell'accumulo termico di un fluido vettore gassoso invece che liquido. Sono stati rispettati i vincoli strutturali e le dimensioni dei serbatoi e sono state condotte simulazioni con portate e temperature rese disponibili dal campo solare, frutto di una precedente ottimizzazione economica. È stata analizzata la bontà dell'accumulo introducendo dei rendimenti di carica e scarica e calcolando da ultimo la potenza elettrica prodotta attraverso un modello che simula il comportamento dell'intero impianto solare. Da ultimo questo tipo di accumulo è stato comparato con un sistema indiretto con doppio serbatoio a sali fusi di pari capacità termica. Si mostra come il grosso problema della tecnologia studiata siano le perdite termiche dovute all'elevato rapporto superficie/volume imposto dalla pressione, secondarie sono le perdite dovute al miscelamento nella zona del termoclino.