Design, test and mathematical modeling of parabolic trough solar collectors

Solar radiation at its origin is a high-exergy energy source: the Sun has an irradiance of about 63 MW/m2. But on the Earth’s surface solar energy flow dramatically decreases. For this reason, when high temperatures or high-exergy need to be reestablished, concentrated solar systems are adopted. Among all possible geometries, parabolic trough collectors are by far the most widespread technology. A field of usage of PTCs is in industrial process heat: this application has a dramatic potential and can be adopted at latitudes like those of central and southern europe. In this thesis the results of research project (PTC.project) for the study of PTCs in IPH and other heat demands in the temperature range from 80 to 250 °C are exposed. The design and manufacture of two prototypes are described in detail, giving complete information on geometrical characteristics, materials and manufacturing processes. Then the results of preliminary tests on the mentioned prototypes are produced, together with the characteristics of a test bench designed to determine PTCs performances with water and heat transfer oil as working fluids in a temperature range from 10 to 150 °C. Then a mathematical model, able to determine the performance of any PTC is described: the model accounts for optical and thermal losses of the collector, and also contains a routine code to calculate the solar position. In the end a simulation environment for annual analysis of the performance of a PTC applied to a specific process heat demand load is presented and the results obtained on a realistic heat demand yearly profile are described. The energetic results suggest that there could be space for this technology in the variety of renewable energies that will be needed to meet international goals in terms of energy and environment in the nearest future. But the experience acquired also suggests that investments are needed if an acceleration on the spreading of PTCs and other CSP technologies is to be realized

La radiazione solare alla sua origine è una fonte di energetica ad alta exergia: il sole ha un’irradianza pari a 63 MW/m2. Ma all’arrivo sulla superficie terrestre questo flusso diminuisce drasticamente. Per questa ragione, quando si necessita di elevate temperature o elevate exergie si adottano sistemi solari a concentrazione. Fra tutte le possibili geometrie i concentratori solari parabolici assiali sono di gran lunga la tecnologia più adottata. Un campo di utilizzo dei PTC (parabolic trough collectors) è quello del calore destinato ai processi industriali: questa applicazione ha un elevatissimo potenziale anche alle latitudini dell’Europa centro-­‐meridionale. Nella presente tesi sono discussi i risultati di un progetto di ricerca (PTC.project) per lo studio dei PTC applicati alla domanda di calore dei processi industriali o di altre utenze nell’intervallo di temperatura fra 80 e 250 °C. Sono descritti la progettazione e la realizzazione di due prototipi di PTC, con informazioni complete riguardo alle caratteristiche geometriche, ai materiali e ai processi produttivi. Successivamente sono illustrati i risultati di test preliminari sui prototipi, assieme alle caratteristiche di un banco per il test di apparati solari a temperature comprese fra 10 e 150 °C. E’ poi esposto il modello matematico sviluppato per descrivere l’efficienza ottica e termica dei concentratori, completo delle routine per il calcolo della posizione del sole. Infine è esposto un ambiente per la simulazione dell’esercizio annuale di un campo di concentratori accoppiato ad uno specifico profilo di domanda termica. I risultati suggeriscono lo sviluppo di questa tecnologia nel panorama delle fonti di energia rinnovabile che dovranno essere adottate per raggiungere gli obiettivi energetici ed ambientali fissati in vari contesti internazionali. Ma saranno necessari forti investimenti se si vorrà imprimere un’accelerazione allo sviluppo dei PTC e delle tecnologie solari termiche in genere.