• bi-axial Fresnel
• concentrating solar system
• experimental analysis
• numerical analysis
• prototype testing
• Tonatiuh

Riassunto della tesi

La crescente necessità di ridurre le emissioni di gas climalteranti e di diversificare il mix energetico mondiale ha posto le tecnologie di produzione da fonte solare in una posizione di rilievo. Oltre al fotovoltaico, una parte importante della ricerca si concentra sui sistemi a concentrazione solare, i quali permettono di ottenere temperature elevate e quindi di alimentare cicli termodinamici tradizionali o applicazioni industriali energivore. In questo contesto, la presente tesi si focalizza sullo studio, la progettazione, la realizzazione e la sperimentazione di un prototipo di concentratore solare Fresnel biassiale.

Obiettivi e approccio metodologico

L’obiettivo principale della tesi è stato quello di analizzare il comportamento di un collettore innovativo che, a differenza del classico schema lineare con ricevitore cilindrico orizzontale, adotta un sistema biassiale con ricevitore puntuale. Tale configurazione consente di aumentare la precisione del puntamento degli eliostati e di concentrare maggiormente la radiazione sul ricevitore, con potenziali vantaggi in termini di efficienza ottica.

Il lavoro si è sviluppato attraverso tre fasi principali:

-Analisi numerica con il software Tonatiuh, per validare la configurazione e stimarne le prestazioni teoriche;

-Realizzazione di un prototipo fisico costituito da 16 specchi con sistemi di attuazione misti (alcuni controllati direttamente da attuatori, altri vincolati meccanicamente);

-Campagne sperimentali volte a misurare le prestazioni reali del prototipo, confrontandole con le attese teoriche e individuando le criticità principali.

Analisi numerica con Tonatiuh

La fase preliminare di simulazione ha avuto lo scopo di fornire una prima stima delle prestazioni del concentratore biassiale. Mediante il software open source Tonatiuh, sviluppato per la tracciatura dei raggi solari in sistemi ottici complessi, è stato possibile modellare il campo specchi, gli attuatori e il ricevitore. Le simulazioni hanno permesso di calcolare la distribuzione del flusso sul ricevitore e l’efficienza ottica teorica in diverse condizioni operative.

I risultati numerici hanno mostrato un notevole potenziale in termini di concentrazione, con efficienza ottica massima prossima al 52% e una potenza massima raggiunta di 800 W. Tuttavia, sono emerse anche alcune sensibilità significative rispetto ad errori di puntamento e tolleranze costruttive, che potevano ridurre drasticamente l’efficienza complessiva. Questa fase ha quindi confermato la validità concettuale del sistema ma ha evidenziato la necessità di un controllo accurato e di una progettazione meccanica molto precisa.

Realizzazione del prototipo

Sulla base delle simulazioni è stato realizzato un prototipo sperimentale composto da 16 specchi planari in grado di ruotare attorno a due assi ortogonali: l’asse verticale, che permette la rotazione nord–sud e l’asse orizzontale per la rotazione est–ovest.

Il sistema di controllo è stato realizzato su piattaforma Arduino e si basa su un modello analitico per il calcolo delle coordinate solari in funzione della data, dell’ora e della posizione geografica. Sulla base di tali calcoli, l’elettronica di controllo determina gli angoli di puntamento e trasmette i corrispondenti comandi di apertura agli attuatori.

Per ridurre i costi, non tutti gli specchi sono stati dotati di attuatori indipendenti: soltanto le colonne esterne erano motorizzate, mentre i rimanenti specchi ricevevano il moto attraverso leve e guide meccaniche. Questo ha permesso di ridurre il numero totale di attuatori ma ha introdotto inevitabili errori di puntamento.

Il ricevitore adottato era costituito da una matrice metallica capace di assorbire la radiazione concentrata e di trasferire calore a un flusso d’aria forzata, misurato in termini di portata e temperatura in ingresso e uscita.

Prima fase di test

La prima campagna sperimentale ha evidenziato criticità legate principalmente a due fattori:

-Qualità della focalizzazione: le immagini prodotte dai singoli specchi sul ricevitore apparivano irregolari e di dimensioni superiori rispetto all’area utile del ricevitore, determinando perdite ottiche significative. Inoltre, la forma dei riflessi risultava diversa per ciascun specchio, indice di un meccanismo di puntamento poco ripetibile.

-Problemi di rigidità strutturale: il sistema meccanico di trasmissione del moto presentava giochi e deformazioni elastiche che amplificavano gli errori di puntamento.

Dal punto di vista energetico, la potenza misurata risultava inferiore alle attese, con efficienze ottiche molto ridotte. Tali osservazioni hanno portato a pianificare una seconda fase di prove dopo alcune migliorie.

Seconda fase di test

Durante il periodo estivo sono state implementate alcune modifiche al sistema:

-applicazione di una vernice spray ad alta emissività sulla matrice per migliorare lo scambio termico;

-irrigidimento della struttura meccanica e riduzione dei giochi;

-calibrazione più accurata del sistema di controllo degli attuatori, compensando la loro non linearità mediante una correzione dell’equazione del cinematismo.

Le prove successive, svolte nel mese di settembre, hanno fornito risultati più incoraggianti.

3 settembre: le condizioni climatiche hanno impedito una misura completa, ma sono state confermate le problematiche di focalizzazione già osservate.

4 settembre: con una portata di 6 m^3/h, la temperatura in uscita ha raggiunto i 100°C, mentre la potenza massima sviluppata è stata di circa 115 W. L’efficienza ottica media (ore 14–15) si è attestata intorno al 7%, con picchi prossimi all'8%. Sebbene questi valori restino modesti, rappresentano un netto miglioramento rispetto alla prima campagna.

5 settembre: operando a portata ridotta (2 Nm^3/h), si è raggiunta la temperatura massima registrata durante l'intera campagna, pari a 147°C. Tuttavia, la potenza risultante non ha superato i 70 W a causa della bassa portata. Durante questa prova è stata inoltre determinata la capacità termica della matrice, pari a circa 991 J/K. Tale valore, se rapportato al calore specifico dell’acciaio inox, corrisponde a una massa equivalente di circa 2 kg, quasi tre volte superiore alla massa reale della sola matrice (0.67 kg).

Questo scostamento indica chiaramente che non solo la matrice, ma anche il corpo del ricevitore contribuisce allo scambio termico. Le cause principali sono da ricondurre a un isolamento non perfetto del ricevitore e alle temperature elevate del cono secondario, che favoriscono ulteriori perdite di calore verso l’ambiente. Tale comportamento riduce l’efficienza complessiva del sistema e rappresenta una delle criticità più rilevanti da affrontare nelle fasi successive di sviluppo.

Discussione dei risultati

L’insieme delle prove ha permesso di trarre diverse conclusioni:

-il sistema di puntamento ha mostrato miglioramenti dopo la correzione della non linearità degli attuatori, ma resta sensibile a deformazioni strutturali e ad errori di allineamento;

-la qualità della focalizzazione rappresenta la criticità principale, poiché la dispersione dei raggi solari comporta elevate perdite ottiche;

-l’efficienza ottica misurata, compresa tra il 6% e l'8%, è ancora lontana dai valori teorici previsti dalle simulazioni (52%), ma indica che la strada intrapresa è promettente;

-l’inerzia termica significativa del ricevitore evidenzia un accumulo energetico utile a gestire i transitori, ma al tempo stesso rivela dispersioni dovute a isolamento imperfetto e surriscaldamento del cono secondario.

Conclusioni e prospettive

La tesi ha dimostrato la fattibilità concettuale di un concentratore solare Fresnel biassiale, capace di raggiungere temperature elevate e potenze significative, pur nella scala ridotta di un prototipo sperimentale. Le analisi numeriche hanno mostrato il potenziale del sistema, mentre le campagne sperimentali hanno evidenziato le criticità meccaniche e ottiche che ne limitano le prestazioni attuali.

Alla luce di tali considerazioni, gli sviluppi futuri dovranno concentrarsi sui seguenti aspetti:

-miglioramento della rigidità strutturale per ridurre le deformazioni elastiche che compromettono il corretto orientamento degli eliostati;

-incremento della qualità ottica degli specchi, con particolare attenzione alla planarità e alla capacità di mantenere una lunghezza focale uniforme;

-aumento della precisione degli attuatori e del sistema di controllo, per garantire un puntamento più affidabile;

-aumento della distanza tra gli specchi, al fine di ridurre le perdite dovute a fenomeni di ombreggiamento nei periodi in cui la declinazione solare è bassa;

-risoluzione dei problemi meccanici che hanno impedito di portare il ricevitore all'altezza originariamente prevista, così da massimizzare la quota utile del bersaglio e migliorare il rendimento ottico;

-semplificazione dei cinematismi, riducendo il numero di elementi intermedi tra attuatori e specchi, con l'obiettivo di limitare gli errori di trasmissione del moto e diminuire la complessità costruttiva;

-ottimizzazione dell'isolamento termico del ricevitore e del cono secondario, per minimizzare le perdite di calore verso l’ambiente e sfruttare al meglio l’energia concentrata;

-studio di una nuova geometria del cono ricevitore, in grado di convogliare in maniera più efficace la radiazione concentrata verso la matrice, riducendo le perdite ottiche e migliorando l’uniformità del flusso incidente.

Nel complesso, pur trattandosi di un primo prototipo, i risultati ottenuti sono da considerarsi soddisfacenti: essi confermano la validità dell'approccio, forniscono indicazioni chiare sui punti deboli del sistema e pongono le basi per ulteriori sviluppi sia a livello sperimentale che di modellazione numerica.