I casi di studio di possibili applicazioni.

SolarBeam Concentrator
La Parabola a Concentrazione Solare
Approfondimenti e applicazioni dell’innovativo sistema di
produzione di Energia Solare Termica
Ufficio tecnico e progettazione Ghibli Srl
Indice:
Il SolarBeam ........................................................................... 2
Caratteristiche e comparazione con collettori piani ............................ 2
Curva di prestazione del concentratore SolarBeam ............................. 4
Le principali caratteristiche del SolarBeam ...................................... 6
Sistema di monitoraggio ............................................................. 6
Test interni ............................................................................ 8
Esempi ................................................................................. 10
Caso studio 1: centro sportivo ..................................................... 10
Caso studio 2: agriturismo .......................................................... 14
1
Il SolarBeam
SolarBeam è una Parabola a Concentrazione Solare che utilizza il più efficiente sistema ad
inseguimento solare disponibile sul mercato.
La tecnologia della concentrazione solare (CSP) permette per mezzo di un grande piano di
riflessione in alluminio anodizzato di riflettere e concentrare la luce solare direttamente nel
punto focale.
Le modalità di scambio termico, rendono il sistema completamente immune dal fenomeno della
stagnazione, problema che al contrario affligge i pannelli solari termici.
La Parabola è dotata di un sistema biassiale di inseguimento del sole la cui tecnologia consente
di inseguire accuratamente il sole. Il sistema di inseguimento utilizza un unico algoritmo ithm e
GPS che consente alla Parabola di inseguire il sole indipendentemente dalla stagione e
massimizzare l’efficienza di captazione della radiazione.
Basandosi sul principio degli specchi ustori, il design è stato attentamente studiato per riflettere
fino all’85% della luce all’interno del punto focale.
Una prossima versione del SolarBeam, prevederà un assorbitore con celle fotovoltaiche a tripla
giunzione in grado di sviluppare 3,5 kW di Energia Elettrica rendendo la Parabola un
Cogeneratore Solare Termico-Fotovoltaico.
Caratteristiche e comparazione con
collettori piani
SolarBeam è il primo concentratore parabolico solare al mondo ad aver ottenuto la
certificazione SRCC1 (SRCC 600 Standard).
LE MIGLIORI EFFICIENZE TERMICHE:
Raggiunge migliori efficienze termiche rispetto ad altre tecnologie a concentrazione solare
parabolica. Infatti, SolarBeam, raggiunge picchi di 11,5 kW di potenza termica media annua
raccogliendo la radiazione del sole su una superficie di 15,9 m2 e concentrandone l’energia su
un assorbitore di 25x25 cm.
E’ stato progettato come un sistema ibrido a bassa manutenzione in grado di fornire
temperature fino a 90 °C per le seguenti applicazioni:
•
Raffrescamento con chiller ad adsorbimento/assorbimento;
•
Processi termici (riscaldamento);
•
Futura produzione di elettricità con tecnologia fotovoltaica a concentrazione.
Il Solar Beam può essere installato come installazione singola oppure multipla.
1
Solar Rating and Certification Corporation
2
PROGETTAZIONE E TEST DEL SISTEMA:
Il sistema è stato testato nei freddi e rigidi inverni Canadesi riscontrando minime perdite di
prestazioni rispetto ai suoi migliori parametri di riferimento.
E’ stato progettato con componenti ed elettronica di ultima generazione, per essere in grado di
mantenere la massima efficienza anche in critiche condizione climatiche determinate sia da alte
temperature in ambiente che da climi rigidi e/o in presenza di carichi di neve.
Di seguito sarà riportata l’analisi delle prestazioni del SolarBeam comparata con altri due
sistemi, strettamente basata sui dati dell’SRCC per delta T operativi di: 0, 10, 30, 50, 60 °C.
Il confronto si basa sui dati per il Concentratore SolarBeam e sui rapporti SRCC per Heliodyne e
Viessmann dove:
•
Il modello Heliodyne N° GOBI 406 002 è un collettore piano vetrato;
•
Il modello Viessmann N° Vitisol 300T SP3 3m2 è un collettore a tubi sottovuoto.
3
Curva di prestazione del concentratore
SolarBeam
ELEVATE EFFICIENZE NEL RANGE DI TEMPERATURE:
Rispetto ai collettori piani fissi, grazie al suo speciale sistema ad inseguimento biassiale, il
concentratore SolarBeam opera sempre ad ottime efficienze.
La curva di prestazione del SolarBeam fa vedere come il concentratore complessivamente
conservi elevate efficienze all’interno dell’intero range di temperature. Al contrario come
invece i pannelli a lastra piana e pannelli a tubi sottovuoto danno basse efficienze quando sono
richieste alte temperature.
Le curve di prestazione
E’ importante notare che i dati sopra riportati si riferiscono all’efficienza istantanea e non
considerano l’efficienza dell’inseguimento del sole.
In aggiunta all’alta efficienza, il SolarBeam produce almeno il 30% in più di energia rispetto ai
collettori solari piani, grazie all’inseguimento biassiale del sole.
In regioni geografiche dove si hanno basse temperature, i pannelli piani e i collettori a tubi
sottovuoto hanno maggiori perdite di calore data la maggior dimensione della superficie
assorbente. Il SolarBeam, al contrario, ha una superficie dell’assorbitore di solo 0,0625 m2.
4
Le principali caratteristiche del
SolarBeam
PRODUZIONE DI ACQUA CALDA
(Radianza pari a 1000 W/ m²)
Potenza di picco
Potenza nominale
Solar Rating and Certification Corporation Efficiency
DIMENSIONI
Diametro collettore
Area collettore
Dimensioni assorbitore
Altezza palo
PARAMETRI SOLARBEAM
Grado di rendimento ottico
Inseguitore
Volume di fluido nell’assorbitore
Massima pressione di esercizio
Temperatura di stagnazione (Radianza pari a 1000
W/m² e temp. Amb. 30° C)
Portata fluido
Peso collettore [kg]
Peso totale [kg]
Massima temperatura assorbitore
Massima temperatura fluido
Fluido riscaldante
11.5 kW
10.5 kW
73%
4.5 m
15.9 m²
25.4 cm X 25.4 cm
2.4 m
86%
Due assi
550 ml
1.72 bar
93° C
15-18.9 1/min
240
463
145° C
93° C
Soluzione acqua/glicole propilenico
(60%/40% fino a -18°)
ALIMENTAZIONE ELETTRICA
Tensione
24 VDC
Motore assi verticali
24W, 2A
Motore assi orizzontali
12W, 0.5A
Protezione
IP66
SICUREZZE
Posizionamento automatico nella posizione di sicurezza
(90° - Asse verticale)
Interruzione alimentazione elettrica
Posizione di sicurezza
Protezione sovratemperatura
Posizione di sicurezza
Protezione velocità vento
Posizione di sicurezza
Perdite di pressione
Posizione di sicurezza
SISTEMA DI GESTIONE
Protocollo di comunicazione
Ethernet
5
Sistema di monitoraggio
L’intero sistema è monitorato da remoto attraverso un’interfaccia grafica stile web che consente
di avere in tempo reale diagnosi ed informazioni sul risparmio energetico.
Ogni SolarBeam al mondo è collegato tramite linea Ethernet o GSM\GPRS e può essere
configurato da remoto consentendo modifiche immediate di set point. Un server centrale
comunica con il SolarBeam e ne registra le prestazioni. Un esempio di schermata è mostrato in
figura.
Schermata principale interfaccia grafica di monitoraggio
Il sistema dà tutte le informazioni sensibili:
•
la produzione istantanea (potenza),
•
la produzione di energia totale nelle ultime 24 ore,
•
il valore della portata e delle temperature di mandata e ritorno del fluido solare
•
il valore della radiazione istantanea e della temperatura che si ha sull’assorbitore.
6
IL REPORT STORICO DELLA PRODUZIONE:
E’ possibile inoltre creare ed esportare su file excel un report di dati storici come quello
riportato in figura.
Report storico della produzione: si riferisce alla giornata del 7 marzo 2012, ed i valori sono
tabellati con intervalli di circa un quarto d’ora
7
Test interni: lo stress-test
INSTALLATO E TESTATO PRESSO LA NOSTRA SEDE:
Verso la metà di gennaio 2012, il SolarBeam è stato installato presso la nostra sede in via
Bellatalla a Pisa.
Nei due mesi successivi si è effettuato un monitoraggio ed una serie di stress-test, per
verificare le efficienze del concentratore alle nostre latitudini.
UN SISTEMA FACILE E RAPIDO:
Il sistema completo è stato installato e reso operativo in meno di 2 giorni e dotato di un
accumulo di 10002.
Fra i test effettuati, sono stati verificati:
LA COINCIDENZA DEL FLUSSO DI ENERGIA NEL CIRCUITO CON QUELLA VISIBILE NEL
SISTEMA: utilizzando un conta-calorie, sono state effettuate misure periodiche sui flussi di
energia del circuito (differenza fra il valore dell’energia mandata ed il ritorno del fluido
dall’accumulo), al fine di verificare la congruità di questa con quella visibile dal sistema di
monitoraggio remoto.
IL MANTENIMENTO DEI LIVELLI DI EFFICIENZA AL VARIARE DELLA TEMPERATURA IN
ACCUMULO E NEL CIRCUITO.
2
La dimensione ottimale dell’accumulo, che costituisce il volano termico del sistema, dipende dal tipo di carico,
quindi dalla modalità di richiesta dell’acqua.
In generale per un corretto funzionamento del sistema sarà necessario un accumulo di almeno 2000-3000 l.
8
RISULTATI DEI TEST:
Conferma dell’affidabilità del sistema di monitoraggio remoto;
La temperatura massima raggiungibile all’interno dell’accumulo è pari a 90°C, alle nostre
latitudini il sistema è in grado di produrre ben oltre 20.000 kWh di energia termica annui. In
riferimento a tale ultimo dato si consideri, ad esempio che in una giornata primaverile tipo,
quale quella del 7 marzo 2012, il sistema ha prodotto circa 65 kWh portando l’acqua
nell’accumulo da una temperatura di 28°C ad una temperatura di 85°C in 5 ore.
La produzione di energia di 20.000 kWh corrisponde a quella che si otterrebbe con l’impiego di
circa 11 pannelli solari piani, però occupando con questi ultimi molta più superficie che con il
Solarbeam.
La modalità di produzione sia stagionale che giornaliera è diversa.
Grazie al sistema di inseguimento biassiale del sole la parabola lavora costantemente in
condizioni di rendimento ottimali, consentendole sempre produzioni istantanee elevate (curva di
produzione più piatta).
Nella stagione invernale la produzione media di energia è maggiore rispetto ad un sistema
analogo a collettori piani.
Un sistema a collettori piani formato da circa 11 pannelli, con un angolo di inclinazione fisso e
orientati a sud con inclinazione pari al valore di latitudine, quindi ottimizzato in modo da dare la
massima produzione di energia nell’arco dell’anno, anche se dovesse riuscire a produrre la
stessa quantità di energia del Solarbeam, questa risulterà distribuita in maniera diversa.
9
Esempi di possibili applicazioni del
SolarBeam
ANALISI TECNICO ECONOMICA DELL’IMPIANTO
Si riportano due casi applicativi, volti a sviluppare ed analizzare l’analisi tecnico-economica di
un impianto solare per la produzione di energia termica con il sistema Solarbeam.
Sono stati presi in considerazione i seguenti casi tipo:
CENTRO SPORTIVO\PALESTRA:
Per l’integrazione della produzione di ACS (acqua calda sanitaria).
AGRITURISMO CON PICCOLA PISCINA SCOPERTA:
Per integrazione della produzione di ACS (acqua calda sanitaria).
Per integrazione del circuito di riscaldamento (stagione invernale)
Per il riscaldamento dell’acqua della piscina, per consentirne l’uso durante le stagioni
primaverili e autunnali.
Entrambe le strutture considerate sono ubicate nella zona di Pisa.
1°Caso di studio: Centro Sportivo
Energia Termica integrata nella produzione di acqua
calda sanitaria
Il centro sportivo analizzato è una palestra di medie dimensioni.
Il fabbisogno di energia termica per la produzione dell’ACS, si basa sui seguenti dati:
•
Località: Pisa;
•
Zona climatica: D;
•
Gradi Giorno: 1694;
•
Temperatura ACS: 45°C;
•
Fabbisogno unitario giornaliero ACS: 30 litri/persona;
•
Frequenza giornaliera: 100 persone;
•
Fabbisogno totale giornaliero ACS: 30x100=3000 litri.
Per il calcolo della produzione di energia media mensile la base di partenza è costituita dai dati
di irraggiamento su superficie orizzontale forniti dall’ENEA (kWh/m2), riparametrati per mezzo
di specifici software di calcolo, ad un sistema di inseguimento biassiale per la correzione
dell’angolo di incidenza sul piano orizzontale.
10
I software utilizzati per l’elaborazione dei dati sono:
•
RET Screen International, software realizzato in partnership NASA e Governo Canadese, in
collaborazione di altri governi e associazioni ed il supporto tecnico di una larga rete di
esperti (sito internet: http://www.retscreen.net/)
•
ACCA Solarius, software professionale che supporta la progettazione di impianti solari.
Entrambi i software si basano per il calcolo dell’irraggiamento su superficie variamente inclinata
sul metodo di calcolo di Liu-Jordan.
Valori medi mensili del fabbisogno e produzione di energia:
Si considerano quindi la temperatura media mensile dell’acqua di rete, il fabbisogno medio
mensile e la produzione media di energia, di cui i valori sono riportati sotto
Copertura
Fabbisogno
Energia
[kWh]
fornita [kWh]
Gennaio
3506
1198
34
Febbraio
3206
1352
42
Marzo
3506
1914
55
Aprile
3289
2149
65
Maggio
3290
2472
75
Giugno
3048
2794
92
Luglio
2999
2720
91
Agosto
2913
2463
85
Settembre
2819
1977
70
Ottobre
3010
1597
53
Novembre
3080
1259
41
Dicembre
3355
911
29
Totale
38021
22870
61
percentuale
[%]
11
Valori medi mensili del fabbisogno e produzione di energia e dell’irraggiamento
ANALISI ECONOMICA DELL’INVESTIMENTO: SolarBeam a confronto con una caldaia
tradizionale alimentata a gas naturale.
Per quanto all’analisi economica dell’investimento, il confronto è stato fatto con una caldaia
tradizionale alimentata a gas naturale.
I parametri considerati per il calcolo dei risparmi sono i seguenti:
•
Rendimento della caldaia: η=90%;
•
PCI gas: 9,5 kWh/Sm3;
•
Prezzo del gas: 0,85 €/Sm3;
•
Tasso inflazione energia: 6%;
•
Detrazione fiscale: 55% per 10 anni;
•
Tasso di sconto: 5%;
•
Tasso di Ammortamento: 9% annuo.
Si seguito sono riportati i risultati dell’analisi.
12
Analisi dell’investimento e analisi costi e ricavi.
13
Caso studio 2: Agriturismo
Energia Termica integrata nella produzione di acqua
calda sanitaria, al riscaldamento degli ambienti e
riscaldamento della piscina
L’agriturismo preso in considerazione è una struttura di circa 200 m2, con all’esterno una
piccola piscina scoperta (il caso può anche essere rappresentativo di un’applicazione nel
residenziale volto ad una villa con caratteristiche simili.
L’impianto dovrà coprire l’intero fabbisogno per la produzione di ACS, integrando nella stagione
invernale il riscaldamento degli ambienti, e nei periodi primaverili ed autunnali il riscaldamento
della piscina esterna.
I dati presi in considerazione per il fabbisogno di energia termica sono i seguenti:
•
Località: Pisa;
•
Zona climatica: D;
•
Gradi Giorno: 1694;
•
Classe energetica dell’edificio: C;
•
Consumo medio annuo per climatizzazione invernale: 75 kWh/m2;
•
Temperatura ACS: 45°C;
•
Fabbisogno unitario giornaliero ACS: 50 litri/persona;
•
Numero posti letto: 10;
•
Coefficiente di simultaneità : 0,8;
•
Fabbisogno medio giornaliero totale ACS: 50x10x0,8=400 litri.
•
Dimensioni della piscina: 12x5x1,7;
•
Acqua di reintegro: 5%/settimana
14
Valori medi mensili del fabbisogno e produzione di energia:
Fabbisogno
ACS [kWh]
Fabbisogno per
riscaldamento
[kWh]
Energia
prodotta [kWh]
Energia
fornita alla
piscina [kWh]
Gennaio
467
3400
1198
0
Febbraio
427
2780
1352
0
Marzo
467
2050
1914
0
Aprile
438
1040
2149
671
Maggio
439
0
2472
2033
Giugno
406
0
2794
2388
Luglio
400
0
2720
2320
Agosto
388
0
2463
2075
Settembre
376
0
1977
1601
Ottobre
401
700
1597
496
Novembre
411
1500
1259
0
Dicembre
447
3530
974
0
Totale
5069
15000
22870
11584
Valori medi mensili del fabbisogno e produzione di energia e temperatura acqua piscina
15
ANALISI ECONOMICA DELL’INVESTIMENTO:
L’analisi economica dell’investimento tiene conto che per la produzione di ACS e per il
riscaldamento degli ambienti, viene utilizzata una pompa di calore elettrica abbinata a terminali
scaldanti a bassa temperatura.
Per l’integrazione termica della piscina, è stato calcolato un risparmio in relazione al costo che
si sarebbe sostenuto se la stessa energia termica fosse stata prodotta con una caldaia
tradizionale a gas.
I parametri considerati per il calcolo sono i seguenti:
•
Rendimento della caldaia: η=90%;
•
PCI gas: 9,5 kWh/Sm3;
•
Prezzo del gas: 0,85 €/Sm3;
•
COP pompa di calore: 3;
•
Costo medio energia elettrica: 0,15 [€/kWh];
•
Inflazione dell’energia: 6%;
•
Detrazione fiscale: 55% per 10 anni;
•
Tasso di sconto: 5%;
•
Tasso ammortamento: 9%.
Di seguito sono riportati i risultati dell’analisi.
16
Analisi dell’investimento e analisi costi e ricavi.
17