Discussione: Costruzione sistema solare termodinamico ad accumulo di energia per la produzione di vapore

Salve a tutti! Sto terminando la "progettazione" di un sistema solare termodinamico a concentrazione per la produzione di elettricità, acqua calda sanitaria e riscaldamento. Il sistema deve accumulare parte dell'energia durante l'arco della giornata, per poi restituirmela di notte. L'altra parte di energia verrà utilizzata per soddisfare il fabbisogno giornaliero (almeno in parte). L'energia termica viene accumulata in un serbatoio realizzato con una mescola refrattaria (sostanzialmente materiali in pietra). Dell'acqua viene spruzzata all'interno di uno scambiatore posto nel serbatoio caldo e evaporando crea una pressione tale da far girare un motore 4T (opportunamente modificato) il quale accoppiato ad un alternatore genera energia elettrica. L'energia estratta dal vapore,in uscita dal motore, viene assorbita da un boiler contenente acqua sanitaria... (se volete posto i calcoli).
L'unico problema di natura pratica che rimane è il fluido termovettore che trasporta calore dal concentratore al serbatoio di accumulo. Usando nitrato di sodio e potassio, ho il problema che la notte solidificano... usando aria calda dovrei isolare perfettamente le tubazioni... usando olio diatermico non potrei arrivare a temperature superiori a 315 °C, questo ostacolo lo si può superare se faccio il serbatoio di accumulo più grande. In ogni caso dove posso comprare l'olio diatermico? (tipo Therminol VP-1)? Inoltre, siccome il concentratore gira, in che materiale flessibile realizzo parte dei condotti per il trasporto dell'olio? Grazie anticipatamente e scusate per la prolissità.

Originariamente inviata da atomax

Salve a tutti! Sto terminando la "progettazione" di un sistema solare termodinamico a concentrazione per la produzione di elettricità, acqua calda sanitaria e riscaldamento. Il sistema deve accumulare parte dell'energia durante l'arco della giornata, per poi restituirmela di notte. L'altra parte di energia verrà utilizzata per soddisfare il fabbisogno giornaliero (almeno in parte). L'energia termica viene accumulata in un serbatoio realizzato con una mescola refrattaria (sostanzialmente materiali in pietra). Dell'acqua viene spruzzata all'interno di uno scambiatore posto nel serbatoio caldo e evaporando crea una pressione tale da far girare un motore 4T (opportunamente modificato) il quale accoppiato ad un alternatore genera energia elettrica. L'energia estratta dal vapore,in uscita dal motore, viene assorbita da un boiler contenente acqua sanitaria... (se volete posto i calcoli).
L'unico problema di natura pratica che rimane è il fluido termovettore che trasporta calore dal concentratore al serbatoio di accumulo. Usando nitrato di sodio e potassio, ho il problema che la notte solidificano... usando aria calda dovrei isolare perfettamente le tubazioni... usando olio diatermico non potrei arrivare a temperature superiori a 315 °C, questo ostacolo lo si può superare se faccio il serbatoio di accumulo più grande. In ogni caso dove posso comprare l'olio diatermico? (tipo Therminol VP-1)? Inoltre, siccome il concentratore gira, in che materiale flessibile realizzo parte dei condotti per il trasporto dell'olio? Grazie anticipatamente e scusate per la prolissità.

posti i calcoli?

ciao

Ciao Primus71! Scusami per il ritardo nella risposta... Questi sono calcoli orientativi, utili a capire se il sistema è fattibile! Chiunque disponesse di calcoli verificati sperimentalmente, non esiti a postarli o quantomeno a correggere i miei! Veniamo al dunque... Il motore che si vuole usare è un Briggs & Stratton da 160 c.c.. Occorrono quindi 0,16 litri di vapore per ogni giro dell'albero motore. La pressione del vapore introdotto nel collettore di aspirazione si suppone pari a 5 bar. Con qualche approssimazione si può considerare la legge dei gas perfetti PV=nRT dove p è la pressione in bar, v è il volume in litri, n è il numero di moli del gas, R=0.0821 e T è la temperatura in kelvin. Quanta acqua deve evaporare per garantire un giro dell'albero motore alle condizioni sopracitate? n=PV/RT=5*0,16/0,0821*493=0,02. Essendo n=peso H20/peso molare H2O si avrà che peso H2O=n*peso molare H2O=0,02*18=0,35g. Occorre far evaporare quindi 0,35g di acqua per ottenere 0,16 litri di vapore a 220°C e 5bar. Quanta energia occorre per fare ciò? Per scaldare l'acqua da 20°C a 220°C occorrono: Q1=m Cv DT = 0,117 Kj. Dove m è la massa d'acqua appena calcolata, Cv è la capacità termica dell'acqua (4,18Kj/Kg) e DT è il salto termico cioè 100°C - 20°C.
Disponiamo ora di 0,35g di acqua a 100 °C, per farla evaporare occorrono ancora: Q2=0,8 Kj, in quanto Q2=2272Kj/Kg. A questo punto abbiamo solo vapore e dobbiamo scaldarlo a 220°C, quindi Q3=m Cp DT = 0,09 Kj, dove Cp è la capacità termica del vapore, pari a 2Kj/KgK. L'energia totale sarà pari a Q1+Q2+Q3=1,007 Kj. Questa è l'energia per generare vapore a 5 bar in grado di far compiere 1 giro all'albero motore. Supponendo un regime di rotazione di 500RPM, ogni secondo il motore compirà 8,3 giri sarà quindi necessario far evaporare 2,9g di acqua al secondo consumando quindi 8,36Kj ogni secondo, in definitiva 31000Kj ogni ora. Sapendo che 1Kj=0,24Kcal 31000Kj=7440 Kcal ma 1KW=860Kcal/ora e dunque 7440Kcal/h=8,65kW.

La forza esercitata dal vapore sul pistone è pari a circa 140 Kg e la potenza del motore in tali condizioni si stima essere inferiore a 1,5kW (questo dato è da verificare sperimentalmente). Gran parte dell'energia ancora posseduta dal vapore in uscita dal motore, viene fatta condensare e scalda l'acqua in un boiler. I calcoli postati sono pessimistici, basti pensare che l'acqua in uscita dal condensatore è ad una temperatura di 45/50°C, occorre quindi scaldarla da questa temperatura e non più da 20°C come nella fase di avvio. In campo tecnico (molti di voi confermano), essere molto pessimisti a volte non basta!!!
L'energia accumulata nel serbatoio sarà invece pari a: Qa=m Cv DT, dove Cv è la capacità termica della pietra pari a 0,21kCal/kgK. Considerando di avere un serbatoio in pietra alto 1 metro e del diametro di 60cm il suo volume sarebbe pari a 0,28 mc e il suo peso pari a 560kg. Considerando che la temperatura al suo interno si porti a 400°C e considerando una temperatura minima di 180°C (sufficiente a generare ancora vapore), il salto termico risulterà essere di 220°C, dunque Qa=25872 kCal= 30kW di energia accumulata. Il serbatoio è avvolto da un altro serbatoio leggermente più grande che gli fa da camicia. Tra i due viene fatto del vuoto. Ovviamente le perdite sono inevitabili, pertanto un comparatore elettronico attiverà un motore di frigorifero che ripristinerà le condizioni di vuoto ottimale. Questo motore è alimentato da una batteria ricaricata da un panello fotovoltaico (questo sistema l'ho già provato e funziona, egregiamente). Ciascun componente dell'impianto necessiterebbe di una sezione dedicata! Invito chiunque è interessato a discutere sul progetto e sulle relative fasi realizzative, sono ben accette critiche e correzioni!!! Un saluto a tutti!

Originariamente inviata da atomax

Ciao Primus71! La pressione del vapore introdotto nel collettore di aspirazione si suppone pari a 5 bar. Con qualche approssimazione si può considerare la legge dei gas perfetti PV=nRT dove p è la pressione in bar, v è il volume in litri, n è il numero di moli del gas, R=0.0821 e T è la temperatura in kelvin. .

scusami
quella legge nn si usa per il vapore, a 220 °C poi!
ma hai mai sentito parlare del diagramma di Mollier?
e con quello che si fanno i calcoli nei cicli a vapore, prova a usare Carnot per 220 °C e vedi che rendimento (teorico) riesci ad ottenere, poi vedi quanto ti consuma la pompa per portare l'acqua da 0 a 5 bar e se il lavoro prodotto dal motore ha un utile.

ciao

sinceramente all'assorbimento della pompa ci avevo pensato...al resto no! Sono (quasi) un ing. elettronico e mi sto avvicinando al mondo della meccanica pertanto qualsiasi consiglio, critica ecc... la accetto ben volentieri. Lo scopo principale di questo sistema è quello di produrre acqua calda, per quanto riguarda l'energia elettrica anche se riesco a tirare fuori solo 150 W sono felice. Credo che un minimo di lavoro utile lo si possa tirar fuori! In ogni caso mi studierò per bene il teorema da te citato... magari dopo ne parliamo assieme... Grazie!

Originariamente inviata da atomax

sinceramente all'assorbimento della pompa ci avevo pensato...al resto no! Sono (quasi) un ing. elettronico e mi sto avvicinando al mondo della meccanica pertanto qualsiasi consiglio, critica ecc... la accetto ben volentieri. Lo scopo principale di questo sistema è quello di produrre acqua calda, per quanto riguarda l'energia elettrica anche se riesco a tirare fuori solo 150 W sono felice. Credo che un minimo di lavoro utile lo si possa tirar fuori! In ogni caso mi studierò per bene il teorema da te citato... magari dopo ne parliamo assieme... Grazie!

se ti vuoi divertire ok
ma stai attento a temperature e pressioni, se qualcuno si fa male vicino al tuo attrezzo ne sei responsabile.

ciao

Questo è il motivo principale per il quale ho pensato di non usare caldaie. Cmq utilizzerò delle valvole di massima pressione. L'impianto lo farò in un campo recintato (è quasi aperta campagna), anche perchè un concentartore da 4 metri di diametro non saprei dove metterlo! Da quanto ho capito sei un esperto nel settore? Grazie cmq per i consigli... Ciao

Originariamente inviata da atomax

Questo è il motivo principale per il quale ho pensato di non usare caldaie. Cmq utilizzerò delle valvole di massima pressione. L'impianto lo farò in un campo recintato (è quasi aperta campagna), anche perchè un concentartore da 4 metri di diametro non saprei dove metterlo! Da quanto ho capito sei un esperto nel settore? Grazie cmq per i consigli... Ciao

si chiamano valvole di sicurezza.
a parte che penso tu sappia che una cosa del genere non puoi costruirla, aspettati di ricavare davvero poca energia elettrica;
ripeto: se il tuo scopo è divertirti a costruire qualcosa va bene, ma se ti serve solo il calore potresti conseguire maggiori risulati sforzandoti molto meno.
P.S. il vapore a 5 bar e 220 °C, se ti arriva addosso provoca ustioni gravi
sai che devi surriscaldare se vuoi ottenerlo, si?


ciao

Tra ieri sera e questa mattina, grazie alle tue dritte, ho dato un'occhiata più dettagliata alla generazione del vapore. Il rendimento (teorico) ottenibile dal vapore a 220°C è davvero basso. I surriscaldatori sono estremamente difficili da realizzare, senza parlare dei problemi relativi alla pompa! Potrei andare su con la temperatura, ma il serbatoio sarebbe difficilissimo realizzare, in ogni modo non riuscirei a fare tutto il resto... Ascolto il tuo consiglio, dedicandomi al solo accumulo termico. Sono circa 4 anni che sperimento sul fotovoltaico, ho realizzato molteplici circuiti elettronici per ottimizzare l'impianto (MPPT, Orientamento pannelli, inverter ad alto rendimento ecc...), ma il collo di bottiglia di questi impianti rimane sempre l'accumulo dell'energia. Gli accumulatori al piombo con il tempo perdono l'efficienza e cmq il loro costo è sostenuto! Mi sarebbe piaciuto generare energia elettrica con il sistema descritto prima, ma a quanto pare la natura non smentisce mai la sua avarizia ! Grazie delle dritte e mi scuso per le inesattezze postate prima! Cmq, sbagliando si impara (spero)... Ciao.

Quale sarebbe il problema relativo alla pompa?

Originariamente inviata da livingreen

Quale sarebbe il problema relativo alla pompa?

l'assorbimento di potenza credo.

ciao

In pratica, se non riesco ad ottenere vapore ad alta temperatura, risultando basso il rendimento del sistema, la pompa assorbirebbe un'energia maggiore di quella ricavabile dallo stesso vapore. Ho visto ultimamente un sistema del genere, ma senza accumulo, progettato e costruito da una università americana, nel quale, attraverso un concentratore solare producevano vapore ad alta temperatura (il fuoco del concentratore arrivava a più di 500°C). Questo vapore faceva girare una turbina, sempre autocostruita (sembrava una Garrett). La pompa utilizzata era una banalissima pompa delle macchinette da bar per il caffè espresso. Con quelle temperature il lavoro prodotto dall'intero sistema è positivo, ma nel mio caso, volendo accumularlo, non credo sia possibile raggiungerle.

Forse saro' ripetitivo , ma perche' complicarsi la vita col vapore ( e la pericolosita') quando puoi benissimo fare un ciclo ORC con dei componenti commerciali a bassa temperatura (max100 gradi).
Gli scambiatori li trovi tranquillamente in commercio ad un prezzo accessibile , e si puo' usare un motore oledinamico come motore primo.
I rendimenti non sono alti , ma penso che per piccole potenze sia l'ideale.

Funzionamento garantito con accessibilita' di costi e materiali.

Ciao Illo, per la mia applicazione credo sia la soluzione migliore. Ma dove posso trovare i vari componenti? Hai qualche link? Se ho capito bene, useresti un motore oleodinamico al posto della turbina?
Ciao e grazie

una domanda:
perchè usare un paraboloide di 4 mt di diametro ? sei costretto ad usare tubi flessibili per poter seguire il movimento dello specchio

non puoi usare dei concentratori lineari ? Il tubo posto nel fuoco dello specchio rimarrebbe fermo, idem tutti i giunti e le tubazioni per connetterlo al serbatoio
Sarebbe lo specchio a girare intorno al fuoco, per seguire il sole man mano che si alza e si abbassa sull'orizzonte
concentratore lineare - Google Ricerca immagini

Odisseo

Originariamente inviata da odisseo

una domanda:
perchè usare un paraboloide di 4 mt di diametro ? sei costretto ad usare tubi flessibili per poter seguire il movimento dello specchio

non puoi usare dei concentratori lineari ? Il tubo posto nel fuoco dello specchio rimarrebbe fermo, idem tutti i giunti e le tubazioni per connetterlo al serbatoio
Sarebbe lo specchio a girare intorno al fuoco, per seguire il sole man mano che si alza e si abbassa sull'orizzonte

In realtà ho pensato sin da subito ad un concentratore lineare, ma per me è difficile realizzare il tubo captatore che assorba un buon livello di radiazione che mantenga un buon livello di vuoto all'interno. In pratica otterrei delle temperature molto più basse rispetto ad un concentratore parabolico.
Ciao

Come dice odisseo si potrebbe pensare anche a dei concentratori lineari ,probabilmente anche dei semplici pannelli solari. ( visto le temperature in gioco)

Comunque c'era un'interessante libro di Paolo Gaudenzi - L'utilizzazione dell'energia solare e dell'irraggiamento verso l'infinito -HOEPLI. 2 edizione 1980
ISBN 88-203-1168-2 (nella 1 edizione c'e' poco)

Dove c'e' anche una progettazione oltre a molte altre informazioni sull'uso del sole con un ciclo ORC, (ci dovrebbe essere anche un progetto gia' fatto)
Con lo stesso principio , hanno costruito anche un Frigorifero

Per i materiali...sono materiali da frigorista .
Con un motore oledinamico si possono tenere "alte" pressioni , ed in piu' si puo' aggiungere olio per mantenere lubrificato il motore
Il tutto a perfetta tenuta ermetica.

Ma se si trova una turbina tanto meglio anche se commercialmente dubito
Ti allego un Thread di un forum in inglese , non e' esattamente come lo impostato io , ma da ottimi spunti anche dal punto di vista teorico. ( se non ricordo male hanno usato una motore pneumatico)

Organic Rankine cycle refrigerant expander?


Ho anche altri link... se li ripesco ....

PowerVerde Inc.


Come dovrebbe riuscire

Grazie Illo, è proprio quello che mi serviva per studiarci un pò su!
Il basso rendimento di conversione mi interessa poco, in quanto comunque recupero l'energia termica per scaldarci l'ambiente. Quello che trasformo in energia elettrica è tutto di guadagnato... ripeto, mi bastano 200-300 W/h di energia elettrica, per 10 ore al max! Il fatto di voler salire il più possibile con la temperatura al concentratore è dovuto al sistema di accumulo. In questo caso, infatti, potrei utilizzare un serbatoio molto più piccolo. Non è comunque da sottovalutare il fatto che un serbatoio contenente acqua a 90°C, possiede circa la stessa energia di un serbatoio contenente materiali in pietra a 180°C e lo scambio termico è più efficiente farlo in acqua anzichè in mezzo alla malgama pietrosa (penso). Comunque, come prima cosa sarebbe da sperimentare il generatore e vedere come si comporta alle diverse temperature, poi passerei al sistema di accumulo.
Grazie ancora a tutti!

Si pero'... dacci le news del tuo lavoro...... perche' interessa pure a me.... e non credo solo a me...
Cosi' ci lasci a bocca asciutta !!

Sarà un lavoro a medio-lungo termine, e per la difficoltà, e per la carenza di tempo in questo periodo. Comunque è ovvio che vi terrò aggiornati, anche perchè senza il vostro aiuto non credo di venirne a capo da solo! Io ho abbastanza esperienza sul campo elettronico, ma per quanto riguarda la termodinamica sto agli albori...
Se il sistema darà risultati positivi, non è da escludere che in concomitanza al solare, possa anche far uso del camino a legna...
Ciao

non so' se puo esserti utile, ma io al tuo posto userei dei concentratori lineari fissi; cosi da non avere complicazioni di meccanica, ed usare l' accumulo di calore per equalizzare il piu possibile; potrebbe essere un tetto ad ond-uline di maggior diametro, con sovrapposto un telaio di tubi "come sbarre ".
SERBATOIO ACCUMULATORE, magari con pre riscaldamento in in pannello termico "nero"...
certamente meno inasivo OTTICAMENTE.....

e per favore , qualcono mi spiega cosa e'il ciclo ORC ??di cui parla illo; cerco, ma non trovo...

ORC=Organic Rankine Cycle o ciclo Rankine organico in Italiano.
Ciclo Rankine:
Se chiuso è formato da 4 elementi; una pompa preleva il liquido dal condensatore che viene pompato in caldaia ad una pressione maggiore.
Nella caldaia il liquido in pressione viene surriscaldato e trasformato in vapore saturo, a questo punto il vapore entra in turbina, o in motore, si espande e compie il lavoro; uscito dalla turbina e terminato il lavoro utile va nel condensatore trasformandosi in liquido saturo di nuovo. Così il ciclo si chiude e riparte dalla pompa che manda il liquido in caldaia, etc etc..Può essere anche aperto, allora il condensatore non ci sarà in quanto il vapore viene scaricato direttamente e naturalmente avremo in più un serbatoio contenente il liquido a "perdere".
La spiegazione è così così, cerca ciclo rankine.
Struca struca è il ciclo che usano le macchina che trasformano il vapore in lavoro e che non utilizzano vapore surriscaldato (quello è il ciclo rankine a vapore surriscaldato).
Nell'organico invece di far evaporare H2O distillata si utilizza un fluido organico che riesca a compiere lavoro utile a minori temperature, penso si utilizzi anche l'ammoniaca.
Ora spero di non aver sparato la più grossa serie di boiate mai scritte in qualunque forum, penso però che sia così, se sbaglio correggetemi, anche perchè interessa molto anche a me

atomax perche' non ti fai i calcoli usando semplici gas organici da frigorista oppure il propano, esano.
Alla fine puoi usare semplici panelli termici anziche concentratori, ti semplifica parecchio la vita....

Molti usano il classico R134a