Progettazione della struttura e dell'isolamento termico di un ricevitore volumetrico integrato in un impianto a torre solare

Martinetti, Alessandro (2017) Progettazione della struttura e dell'isolamento termico di un ricevitore volumetrico integrato in un impianto a torre solare. Bachelor thesis, Scuola Universitaria professionale della Svizzera italiana (SUPSI).

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Abstract

Italiano. Il lavoro relativo alla progettazione della struttura e dell’isolamento termico di un ricevitore volumetrico è iniziato con un’approfondita ricerca sullo stato dell’arte. Tale ricerca verteva sulle applicazioni in senso lato di ricevitore volumetrico: produzione di energia tramite ciclio Brayton o ciclo Rankine e sintesi chimica. Una volta chiariti gli obbiettivi del lavoro ed i parametri richiesti dal committente, si è proceduto con una cassa morfologica delle macrovarianti. Lo scopo di questa prima cassa morfologica è la determinazione del layout del ricevitore in base alla superficie richiesta dal committente, alla disposizione del campo di eliostati e al tipo di vetro necessario a garantire un Air Return Ratio del 100%. La cassa morfologica che è seguita verteva invece all’individuazione delle varianti ottimali per le diverse funzioni. Le varianti decise sono due: la prima ricalca in modo evidente le soluzioni tecnologiche trovate durante le ricerche sullo stato dell’arte, con l’unica differenza che si sono semplificati alcuni aspetti costruttivi con l’intento di ridurre i costi. Purtroppo alcune tecnologie legate a questa prima variante erano già coperte da brevetto. Di conseguenza è stata scelta la seconda variante, che è stata implementata nel seguente modo: l’idea alla base di tutto il progetto è quella di costruire un ricevitore modulabile che si adattasse bene alle differenze di concentrazione di radiazione solare concentrata tra il centro del ricevitore e le zone più periferiche. Per fare ciò si sono progettati dei macromoduli raffreddati che accolgono le lastre di struttura porosa ceramica. L’aria calda viene fatta passare attraverso una piastra forata ed a una valvola a farfalla e convogliata poi nello scambiatore di calore. Grazie alla piastra forata si vuole creare un affetto serbatoio; infatti la perdita di carico data dalla piastra è maggiore di quella provocata dalla struttura porosa ceramica. Tale soluzione permette di controllare la portata massica d’aria attraverso il macromodulo: maggiore sarà la radiazione solare concentrata, maggiore sarà la portata massica. Ogni macromodulo è dotato inoltre di un elemento di regolazione dinamico rappresentato dalla valvola a farfalla. Questo accorgimento permette una ulteriore regolazione del flusso d’aria, utile durante le fasi transitorie date per esempio dall’avvio o spegnimento dell’impianto o da nuvolosità parziale di passaggio. L’Air Return Ratio del 100% è garantito dalla vetrata frontale composta da un telaio libero di espandersi, da guarnizioni adatte a sopportare le temperature previste e da lastre di vetro SCHOTT BOROFLOAT 33. Sia i macromoduli che la vetrata frontale sono montati su una struttura a traliccio costruita per essere allo stesso tempo libera di espandersi termicamente, resistente alle sollecitazioni termiche e meccaniche, leggera ed economica. Tale struttura è stata dimensionata grazie ad un’analisi FEM. Infine si sono simulate alcune condizioni di funzionamento grazie all’analisi CFD. Dato che questo progetto getta le basi a molti sviluppi futuri, in conclusione si sono formulate delle ipotesi per la continuazione del lavoro. Inglese. The work on designing a volumetric receiver started with a detailed research into the state of the art. This research focused on the broader applications of volumetric receiver: energy production through Brayton or Rankine cycles and chemical synthesis. Once the main objectives and the parameters required by the customer were clarified, a “caisse morphologique” of the macrovariants was performed. The purpose of this first “caisse morphologique” was to determine the layout of the receiver according to the surface required by the customer, the arrangement of the heliostats field and the type of glass needed to guarantee a 100% Air Return Ratio. The main “caisse morphologique” that followed was, however, aimed at identifying the best variants for the different functions. The main variants are two: the first one clearly follows the technological solutions found during state of the art research, with the only difference that has simplified some constructive aspects with the aim of reducing costs. Unfortunately some technologies linked to this first variant were already covered by some patents. As a consequence, the second variant was chosen, and implemented as follows: The idea behind the whole project is to build a modular receiver that fits well to the concentration differences of concentrated solar radiation between the center of the receiver and the most peripheral areas. To do this, a cooled macromodules that accept ceramic porous structures was designed. Hot air pass through a perforated plate and a butterfly valve and then conveyed to the heat exchanger. Thanks to the perforated plate, a “tank” effect is created; in fact the pressure loss given by the plate is greater than that caused by the porous ceramic structure. This solution allows to control the mass flow of air through the macromodule: the higher the concentration of solar radiation, the greater the mass flow. Each macromodule is also equipped with a dynamic adjustment element represented by the butterfly valve. This feature allows for further airflow adjustment, useful during the transient phases given, for example, from startup or shutdown of the plant or partial overflow cloudiness. The 100% Air Return Ratio is guaranteed by the front window made of a steel frame free to expand, with gaskets suitable to withstand the expected temperatures and glass type SCHOTT BOROFLOAT 33. Both the macromodules and the front glass are mounted on a steel beam structure designed to be, at the same time, free to thermally expand, resistant to thermal and mechanical stress, light and economic. This structure was dimensioned thanks to a FEM analysis. Finally, some operating conditions have been simulated by the CFD analysis. Since this project lay the foundation for many future developments, at the end, some hypotheses for continuation of work have been formulated.

Item Type: Thesis (Bachelor)
Supervisors: Zavattoni, Simone and Contestabile, Filippo
Subjects: Meccanica
Divisions: Dipartimento tecnologie innovative > Ingegneria meccanica
URI: http://tesi.supsi.ch/id/eprint/1778

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