New concepts for organic Rankine cycle power systems

Energy conversion systems based on the Organic Rankine Cycle (ORC) principle are rapidly diffusing, given their flexibility in terms of power output and temperature levels of operation, which pose ORC among the most promising options for the exploitation of distributed energy sources as is typical the case for renewables (e.g., biomass, solar, geothermal, ecc.). This thesis collects several contributions of the author in the field of ORC systems research, by proposing: (i) innovative design methodologies at the component- (e.g., the turboexpander) and system-level (e.g., to account for dynamic performance since an early design phase); (ii) original concepts (e.g., a direct thermal energy storage integrated within the power cycle); and (iii) several studies of a more fundamental nature about the Gas dynamics of the organic compounds adopted as working fluids in modern ORC power systems.

I sistemi di conversione dell'energia termica basati sul concetto di Organic Rankine Cycle (ORC) si stanno diffondendo rapidamente vista la loro flessibilità in termini di taglia e temperature operative, che li pongono tra le opzioni più promettenti per lo sfruttamento di sorgenti di energia distribuite e con caratteristiche molto variabili come quelle rinnovabili (biomasse, solare, geotermico, ecc.). Questa tesi raccoglie alcuni contributi dell'autore nel campo della ricerca sui sistemi ORC, proponendo: (i) delle metodologie di progetto innovative a livello di componenti (e.g., il turboespansore), o di sistema (e.g., per considerare le prestazioni dinamiche del sistema fin dalle prime fasi del suo progetto); (ii) dei concetti originali (e.g., un sistema di accumulo dell'energia termica diretto e integrato nel ciclo di potenza); e (iii) alcuni studi di natura più fondamentale circa la fluidodinamica dei composti organici usati come fluidi di lavoro nei moderni impianti ORC.