Advanced surface and volumetric receivers to convert concentrated solar radiation

La presente tesi è il risultato del lavoro svolto durante i tre anni di dottorato. presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Padova. La conversione dell'energia solare in calore a media temperatura (tra 80 °C e 250 °C) ha recentemente riscontrato un rinnovato interesse per le applicazioni di riscaldamento e raffreddamento in settori industriali, commerciali, residenziali e dei servizi. I collettori solari termici a concentrazione per media temperatura ben si prestano per l’impiego in molte applicazioni commerciali e industriali, come per la produzione di calore di processo industriale, il solar-cooling e la desalinizzazione dell'acqua di mare. Si prevede un significativo sviluppo tecnologico per questa tipologia di collettori, a condizione che la conversione dell'energia solare diventi più efficiente ed economica. La corretta progettazione del ricevitore, considerato il cuore di ogni collettore a concentrazione, è essenziale per il futuro incremento dell'efficienza di conversione di questa tecnologia. In questo contesto, questa tesi riporta i risultati dell'applicazione di due innovativi ricevitori in un prototipo di concentratore parabolico asimmetrico installato nel Laboratorio di conversione dell'energia solare del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Padova. Nel Capitolo 1 è presentato lo studio di diverse procedure per la stima dell'irradianza normale diretta, che è la risorsa solare utilizzata dai concentratori solari. Lo studio include una valutazione indiretta da misurazioni di irradianza orizzontale globale e diffusa insieme all'uso di modelli semi-fisici/empirici. Viene fornita un'analisi dettagliata della strumentazione e del metodo di misurazione utilizzati nonché dell'espressione dell'incertezza sperimentale. Nel Capitolo 2, le prestazioni ottiche del concentratore parabolico asimmetrico sono caratterizzate sperimentalmente. Un modello statistico di ray-tracing del concentratore per l'analisi delle prestazioni ottiche in diverse condizioni di lavoro è stato convalidato ed utilizzato per ottimizzare la geometria dei ricevitori proposti. Nel Capitolo 3, un innovativo ricevitore superficiale in alluminio e prodotto con la tecnologia bar-and-plate e un turbolatore al suo interno è stato testato nel collettore parabolico asimmetrico in regime di deflusso monofase e bifase con acqua e con un fluido alogenato a basso GWP. Un modello numerico per prevedere le prestazioni di tale ricevitore è stato sviluppato e validato sulla base dei dati sperimentali acquisiti. Nel Capitolo 4, questo modello è stato impiegato per valutare le prestazioni di un impianto ORC di piccola taglia alimentato da energia solare attraverso il suddetto collettore solare a concentrazione. L’analisi ha compreso la vaporizzazione diretta di un fluido alogenato a basso GWP e l’utilizzo un circuito solare intermedio per riscaldare acqua pressurizzata ed evaporare lo stesso fluido alogenato in uno scambiatore di calore. Infine, nel Capitolo 5 è stato proposto l’impiego di un nuovo ricevitore volumetrico ad assorbimento diretto per studiare la capacità di assorbimento della radiazione solare concentrata di un nanofluido. Il nanofluido è una sospensione di nano-corni di carbonio a parete singola in acqua distillata ed è il risultato di un progetto di collaborazione con la sede di Padova del Consiglio Nazionale della Ricerca. Attraverso lo sviluppo di un modello CFD tridimensionale, il ricevitore volumetrico è stato progettato per essere installato nella regione di fuoco del concentratore parabolico asimmetrico. La capacità del nanofluido di assorbire la radiazione solare a concentrata e non concentrata è stata studiata sperimentalmente. Al fine di indagare sulla stabilità nel tempo del nanofluido, delle prove sono state condotte in diverse condizioni, con e senza circolazione.