Studio e progettazione di un concentratore solare di piccola taglia per usi tecnologici ad elevata precisione di puntamento

By the light of the actual global scenario, characterized by heavy economical crisis and environmental problems, the technologies in the energetic field and, even more, the renewable energy resources, are playing a major part. The public interest in these innovative solutions is also due to the chance to relaunch the global economy and the growth. Among the energy technologies fed by renewable resources, a growing interest is given to the solar energy, which is the most available source in nature. In this work, the study is focused on the solar concentration technology whose theoretic basis, working principles and constructive characteristics are analyzed. Up to now, the solar concentration systems were studied and built for big-sized plants, but the technology could also be applied to small-sized units which would grant the advantage of flexibility and modularity and could be adapted to several uses on the developing scenario of diffuse micro-cogeneration. The main objective of this work is the study, the design and the set-up of a small-sized solar concentrator with high tracking accuracy. The feasibility, the technical peculiarities and the performance of the plant are also evaluated. During the design of the plant a great attention was given to the choice of the components, like the stepper motors: in fact the aim of the work was to realize a good performance plant with low production costs. The description of the study, the design and the building phase of the concentrator is subdivided in three parts. First of all, the layout of the heliostats and the set-up of the plant was defined. These parameters were the basis to design the sun-tracking algorithm which is computed by means of vector geometry; so the tracking angles of each heliostat can be calculated. In the second part, the design of all the other mechanical and electrical components of the prototype plant is described. In particular, the structural design, the stepper motors for sun tracking and the shafts for the motion transmission are studied and tested. Two test benches have been realized to evaluate the structural resistance of the chassis and the moving and holding torque of the stepper motors. These parameters are very important to guarantee the correct positioning of the heliostats and to avoid their movement due to external forces, like wind or snow weight. Finally, the performance of the solar concentrator is evaluated by means of analytic simulations; in order to calculate the performance of the plant a ray-tracing computation was embedded in the sun tracking algorithm. This methodology simulates the path of a sun ray, from the source (the sun), through the optics (the heliostats), to the target (the focus of the concentrator). Using this simulation tool, the optical efficiency, the concentration level and the available thermal power on the focus of the concentrator can be evaluated in several geometric configurations of the prototype plant. The results of the simulations confirm that the target performance can be reached: in fact, the prototype reaches a concentration ratio of 50 suns, a thermal power of 6 kW and an optical efficiency of 83 per cent also considering the reflection losses on the mirrors of the heliostats. The final part of the work briefly describes the possible applications of the concentration plant: from the thermodynamic solar power generation, to the thermal high temperature power generation, from the solar cooling technology to the concentration photovoltaic. Also in this case, many simulations on the effectiveness of the technical solutions coupled with the concentrator are presented. Many of them show very interesting performance and promising results for further development of the project.

Alla luce dell’attuale scenario globale, contraddistinto da gravi crisi economiche e da preoccupanti problematiche ambientali, le tecnologie energetiche, in particolare quelle derivanti da fonti rinnovabili, stanno acquisendo un ruolo di primo piano. Ad esse si guarda per trovare soluzioni innovative, ma anche perché si ritiene che, in un futuro prossimo, possano rappresentare un importante volano per un rilancio dello sviluppo. Tra le tecnologie energetiche alimentate da fonti rinnovabili, un crescente interesse sta ottenendo l’energia solare, senza dubbio la risorsa più ampiamente disponibile in natura. In questo lavoro lo studio è stato focalizzato sulla tecnologia del solare a concentrazione di cui sono stati analizzati i fondamenti teorici, i principi di funzionamento e le caratteristiche costruttive. Sino ad oggi, sia sotto il profilo teorico che nelle realizzazioni progettuali le centrali solari a concentrazione hanno riguardato impianti di grandi dimensioni, mentre la tecnologia potrebbe essere applicata anche ad impianti di piccola taglia che offrirebbero il vantaggio di soluzioni flessibili e modulari adattabili alle diverse esigenze ed in sintonia con l’emergente tendenza della micro-cogenerazione diffusa. Obiettivo di questo lavoro è stato lo studio, la progettazione e la messa a punto di un prototipo di concentratore solare di piccola taglia, ad elevata precisione di puntamento. Di tale impianto ci si è proposti l’obiettivo di studiare la fattibilità, le caratteristiche tecnico-impiantistiche e le prestazioni. Nella fase progettuale si è posta particolare cura nella scelta di una componentistica – ad esempio, i motori passo-passo – che consentisse alla piccola centrale ad eliostati di raggiungere elevati livelli prestazionali pur mantenendo i costi entro livelli contenuti. La descrizione delle fasi di studio, di progettazione e di realizzazione del concentratore si articola in tre parti. Innanzitutto, si è proceduto allo definizione e alla messa a punto della geometria del concentratore e al dimensionamento degli eliostati. In questa fase della ricerca si è provveduto alla elaborazione di un algoritmo di inseguimento solare, ottenuto ricorrendo a tecniche di geometria vettoriale da cui sono stati desunti, in primo luogo, gli angoli di movimentazione dei singoli eliostati. Nella seconda fase, si è passati alla progettazione degli altri elementi, meccanici ed elettronici, che costituiscono parte integrante del sistema di concentrazione. In particolare, si è proceduto allo studio della struttura e del dimensionamento dei motoriduttori per la movimentazione degli eliostati, nonché a quello degli alberi di trasmissione del moto e del supporto dell’intero impianto. A tal fine, sono stati realizzati dei banchi prova per la valutazione della tenuta strutturale del sistema e della capacità dei motoriduttori di garantire sempre la coppia sufficiente alla movimentazione del modulo. In ultimo, si è proceduto alla valutazione delle prestazioni del concentratore attraverso una lunga serie di simulazioni; a tal fine si è ricorso alla metodologia del ray-tracing il cui algoritmo, auto costruito, è stato inserito nel codice di calcolo di inseguimento degli eliostati. Questa metodologia consiste nel simulare il percorso effettuato da un raggio di luce, a partire dalla sorgente (il sole) per arrivare, attraverso le ottiche (gli eliostati), al target (il fuoco del concentratore). I risultati conseguiti attraverso le simulazioni hanno permesso di definire l’efficienza ottica, i livelli di concentrazione e la potenza termica messa a disposizione dal concentratore nelle diverse configurazione geometriche possibili. Si è potuto constatare che gli obiettivi prefissati sono stati pienamente raggiunti: infatti, il prototipo risulta in grado di raggiungere un livello di concentrazione di 50 soli, una potenza termica di 6 kW ed una efficienza ottica di oltre 83 punti percentuali considerando anche le perdite dovute alla non perfetta riflessione degli eliostati. L’ultima parte del lavoro presenta, sinteticamente, le possibili applicazioni del sistema di concentrazione che spaziano in numerosi campi: dal solare termodinamico al solare termico ad alta temperatura, dal solar cooling al fotovoltaico a concentrazione. Anche in questo caso, sono state effettuate simulazioni relative alle diverse opportunità applicative che hanno fornito risultati interessanti e promettenti nella prospettiva di ulteriori sviluppi del progetto.