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pacchetto software dal titolo: “Software simulazione effetti d’incendio e analisi strutturale calcestruzzi (HITECOSP2)”, a nome ENEA e Università degli Studi di Padova
No full textDiritto d’Autore presso SIAE per un’opera inedita pacchetto software dal titolo: “Software simulazione effetti d’incendio e analisi strutturale calcestruzzi (HITECOSP2)”, a nome ENEA e Università degli Studi di Padova. Autori: Corsi Franco, Schrefler Bernhard, Giannuzzi Giuseppe Mauro, Majorana Carmelo, Miliozzi Adio e Pesavento Francesco. Roma, Studio Ferrario (Brevetti di Invenzione), 14/12/2006
Studio ed analisi critica dei sistemi di accumulo termico a media temperatura
Full text linkNel presente documento viene riportata, dapprima, una panoramica sui principali sistemi di accumulo termico a media temperatura (550°C), da poter installare in impianti ad energia solare utilizzanti la tecnologia CSP (Concentrated Solar Power), e, quindi, proposto un concetto innovativo di sistema di accumulo termico. La panoramica prende spunto dalle varie opzioni di accumulo disponibili e dalla evoluzione storica dei concetti di accumulo per arrivare alla definizione di un sistema di accumulo “ideale” da realizzare nei prossimi impianti. A tali principi rispondono anche le specifiche del sistema di accumulo pensato da ENEA. Tale sistema è costituito da un contenitore di forma conica, con un liner interno capace, grazie al suo aspetto geometrico, di compensare le dilatazione termiche differenziali. Dopo averne mostrato le caratteristiche tecniche innovative ed averlo dimensionato da un punto di vista termico, si è proceduto ad una attenta analisi economica atta a verificarne l’economicità. Da tale analisi emerge che il sistema di accumulo conico si attesterebbe su costi 21/kWht) e probabilmente riducibili attraverso l’introduzione di soluzioni innovative quali l’utilizzo della refrigerazione passiva ad aria del basamento/contenitore e di un cemento High Performance ad alta temperatura per il contenitore stesso. Il presente lavoro è parte dell’Obiettivo Realizzativo 4 del progetto MIUR denomitato ELIOSLABIn the present document, firstly, an overview of the major thermal energy storage (TES) systems at medium temperature (550 ° C), to be installed in a Concentrated Solar Power plant is reported, and, then, an innovative concept of thermal energy storage system is proposed. The overview starts from the various available TES options and the historical evolution of the TES concepts to get the definition of an "ideal" thermal energy storage system to be implemented in future plants. These principles also meet the specifications of the thermal energy storage system proposed by ENEA. This system consists of a conical tank, with an internal liner capable, thanks to its geometric aspect, to compensate for differential thermal expansion. After its innovative technical characteristics have been shown and its dimensions evaluated from a thermal point of view, a careful economic analysis designed to verify the economy has been carried out. From this analysis it appears that the conical thermal energy storage system costs would be about 21/kWht) and probably reduced through the introduction of innovative solutions such as the use of a passive air cooling for the basement/container and an high temperature High Performance Concrete for the same container. This work is part of the “Obiettivo Realizzativo 4” of the MIUR project named ELIOSLAB
Valutazione dell’azione del vento su di un concentratore solare parabolico lineare
Full text linkLe prestazioni di un concentratore solare parabolico lineare sono correlate sia alla rigidezza della struttura che alla entità dei carichi ad essa applicati. Tra questi, il carico predominante è quello derivante dall’azione del vento. Scopo del lavoro qui presentato è stato quello di valutare le azioni esercitate dal vento sui concentratori parabolici lineari di un impianto solare ad alta temperatura per la produzione di energia elettrica. Tale valutazione, inquadrata nell’ambito normativo sia nazionale che europeo, è stata
eseguita per via numerica utilizzando il modulo fluidodinamico Flotran del codice di calcolo agli elementi finiti Ansys. I risultati, ottenuti per tre velocità di riferimento (7, 14 e 28 m/s) e per diverse posizioni dei collettori, hanno permesso di determinare i coefficienti di forma del concentratore parabolico. Attraverso tali coefficienti, relativi alle azioni di spinta e portanza, al momento torcente, alla pressione media ed alla distribuzione di pressione, è possibile per ogni velocità del vento e per ogni posizione del concentratore
ottenere le azioni corrispondenti esercitate sulla struttura. Successivamente, per rassicurare sul grado di affidabilità numerica dei risultati ottenuti, si è analizzata la sensibilità numerica del modello utilizzato ed, in particolare, sono stati condotti studi facendo variare l’infittimento dellla magliatura e le dimensioni del dominio di calcolo. Infine, essendo gli attuali codici CFD ancora “non certificati”, si sono condotte delle
prove sperimentali in galleria del vento finalizzate alla verifica della affidabilità complessiva della previsione. Contemporaneamente alle prove sperimentali, sono state condotte delle simulazioni numeriche 2D e 3D cercando di riprodurre le analoghe condizioni di prova della galleria del vento. I risultati ottenuti da queste prove e dalle simulazioni numeriche sono stati messi a confronto utilizzando i coefficienti aerodinamici. Visti gli esiti positivi del confronto numerico-sperimentale effettuato, è possibile concludere che il modello numerico fluidodinamico utilizzato per valutare le azioni del vento esercitate su un concentratore parabolico lineare è in grado di prevedere correttamente tali azioni ed è quindi applicabile a strutture di questo tipo con un buon grado di affidabilità. La validazione del modello numerico porta come ulteriore conseguenza la validazione delle azioni del vento valutate per via numerica in precedenza. I carichi così ottenuti vanno pertanto considerati avere un buon livello di
affidabilità.The performance of a parabolic-trough concentrator is correlated both to the structure stiffness and to the entity of the applied loads. The main load from the action of the wind is deriving. Scope of this work is the estimation of the actions of the wind on a parabolic-trough concentrator of an high temperature solar plant for electric power production. Such evaluation, referring the national and European codes and standards, is performed numerically using the CFD Flotran module of Ansys finite element code. The results, obtained for three reference speeds (7, 14 and 28 m/s) and for various angular positions of the collectors, have allowed to determine the parabolic-trough concentrator shape coefficients. Through such coefficients, it is possible for every wind speed and concentrator angular position to obtain the corresponding actions on the structure. Then, in order to reassure on the degree of numerical reliability of the obtained results, the numerical sensibility of the used model has been analyzed and, in particular, studies have been performed varying the mesh density and field dimensions. At last, being the present CFD codes still “not certified”, wind tunnel experimental tests have been conducted, finalized to the verification of the total reliability of the numerical forecast. At the same time of the experimental tests, 2D and 3D numerical simulations have been conducted to reproduce the analogous conditions of wind tunnel tests. The results obtained from the tests and the numerical simulations have been compared using
the aerodynamic coefficients. After the positive numerical-experimental comparison, it is possible to conclude that the fluid-dynamic numerical model, used in order to estimate the wind actions on a parabolic-trough concentrator, is able to predict correctly such actions and is therefore applicable to structures of this type with a good degree of reliability. The validation of the numerical model leads, as ulterior consequence, to the validation of the wind actions numerically estimated. The obtained loads must be therefore considered to have a good level of reliability
Linee guida per la progettazione strutturale di un concentratore solare
Full text linkLa realizzazione di un qualsivoglia sistema solare a concentrazione, sia esso a torre o lineare parabolico od a disco, per una qualsiasi destinazione d’uso (produzione di energia elettrica, realizzazione di processi chimici, etc.) passa sempre attraverso la progettazione del campo solare e, più in particolare, del sistema di concentrazione. Il presente documento si pone l’obiettivo di fornire delle linee guida utili alla progettazione di un generico concentratore solare sulla base del suo inquadramento tipologico e della
individuazione del quadro normativo da applicare nelle verifiche progettuali. L’insieme delle leggi, dei decreti, delle circolari e delle raccomandazioni che disciplinano, in Italia, la progettazione di strutture come quella in esame, permette di affrontare con sufficienti margini di sicurezza, le tematiche invariabilmente poste al progettista strutturale e riguardanti sia la funzionalità del concentratore che l’incolumità delle persone che vi operano. Il presente documento si pone l’obiettivo primario di adattare detta normativa al generico concentratore solare sviluppando quelle parti che sono più specifiche della
struttura in oggetto come, ad esempio, i carichi ed in particolare le azioni dovute al vento ed alla neve. Per quanto riguarda i metodi di calcolo da adottare, si rinuncia ad utilizzare il metodo delle tensioni ammissibili ma, proiettandosi nel prossimo futuro, si dà indicazione sul modo di utilizzare il metodo degli Stati Limite.The achievement of any concentrated solar power system, either tower or parabolic-trough or dish, for any use (electrical power production, chemical processes, etc.) goes always trough the design of the solar field and, in particular, of the concentration system. The objective of the present document is to supply the guidelines useful for the design of a generic solar concentrator on the base of its typological classification and of the selection of the norms to apply in the design verification. All the laws, the decrees, the circulars and the recommendations that discipline, in Italy, the design of structures like the one under investigation, allow to face with sufficient safety margins, the thematics invariably placed to the structural designer and regarding both the functionality of the concentrator and the security of the persons who operate on it. The main objective of the present work is to adapt the norm to the generic solar concentrator, developing the parts that are specific for the considered structure like, as an example, the loads and, in particular, the actions due to the wind and the snow. As far as the calculation methods to adopt, the method of the Permissible Stresses is rejected and indication on how to use the method of the Limit States is given
Opportunità di applicazione delle tecnologie solari termodinamiche in Italia
Full text linkLa Divisione Solare Termico e Termodinamico (STT) fa parte del Dipartimento Tecnologie Energetiche dell’ENEA e svolge attività di ricerca, sviluppo e qualificazione di tecnologie, materiali, processi e prodotti nel settore dell’impiego dell’energia solare per la produzione di calore e il suo utilizzo nella conversione in energia elettrica, in processi industriali e nel condizionamento ambientale. Inoltre, nello stesso settore, svolge attività di studio e progettazione preliminare, realizza ed esercisce impianti sperimentali, fornisce servizi tecnici avanzati ed opera per il trasferimento di tecnologie e conoscenze al sistema produttivo, contribuendo alla competitività dell’industria nazionale ed allo sviluppo di un sistema energetico più sostenibile.
Per queste attività la Divisione STT si avvale di circa 70 persone, tra ricercatori, tecnici e amministrativi, strutturati in due laboratori (Laboratorio per lo Sviluppo Componenti e Impianti Solari e Laboratorio di Ingegneria delle Tecnologie Solari) distribuiti in 3 Centri ENEA (Casaccia, Portici e Trisaia).
Nel settore specifico del Solare Termodinamico, definito a livello internazionale come CSP (Concentrating Solar Power), l’ENEA ha dato notevole impulso allo sviluppo della ricerca tecnologica dai primi anni del 2000 con il Grande Progetto Solare Termodinamico guidato dal prof. Rubbia, che ha portato alla realizzazione dell’impianto Archimede, primo impianto solare termodinamico europeo di scala industriale e ancora oggi tra i maggiori impianti a sali fusi circolanti, e prosegue questo sviluppo attraverso numerosi progetti di ricerca, studi di fattibilità e assistenza alla progettazione e alla realizzazione di impianti in diversi Paesi. Si può quindi affermare che questo gruppo dell’ENEA costituisce un’elevata concentrazione di competenze a livello internazionale e rappresenta un importante punto di riferimento per gli operatori nazionali del settore, che necessitano di informazioni e consulenze in vista di prospettive di applicazioni e di opportunità commerciali.
Con l’intendimento di fornire un servizio utile al sistema produttivo italiano, abbiamo ritenuto opportuno diffondere queste nostre competenze attraverso la pubblicazione di un rapporto sullo stato dell’arte delle tecnologie CSP. L’auspicio è che questa pubblicazione possa diventare un appuntamento periodico, con cadenza almeno biennale, in considerazione del continuo sviluppo del settore. Siamo consapevoli che questa prima edizione può apparire poco omogenea nei diversi argomenti trattati, in conseguenza delle attività svolte dai ricercatori che hanno maggiormente collaborato, ma le prossime edizioni potranno fornire un quadro più omogeneo anche grazie ai feedback che ci aspettiamo da parte degli operatori industriali
Energy and Cost Analysis of Concentrated Solar Thermal Plants Integrated With Latent Heat Thermal Energy Storage for the Decarbonization of Industrial Processes
No full textIndustrial energy demand in the EU is driven by the thermal energy share, which accounts for the most part of the total energy demand. A large part, about one-third, is at medium temperatures, between 100 and 200 °C, and it is still produced by fossil fuels, mainly natural gas. This energy demand could be met by solar thermal energy by using Concentrated Solar Thermal (CST) technologies, suitably combined with thermal energy storage systems.
This paper presents a study of CST plant composed by Parabolic Trough Collectors (PTC) combined with Latent Heat Thermal Energy Storage (LHTES) system in shell-and-tubes configuration for the supply of heat for industrial processes. Firstly, the criteria adopted for the sizing and the quasi-static simulation of the system are described. Significant attention is given to evaluate the variation of the Solar Fraction (SF) with the typical parameters of thermal storage, such as the maximum capacity and exchange surface, given a specific location and the Solar Multiple (SM). The methodology has been applied to a dairy processing facility within the agri-food sector with a thermal load of 500 kWth. Then, an economic analysis has been carried out by evaluating the impact of the component’s costs, such as the linear parabolic collectors, thermal storage materials and landscape preparation. Finally, the Levelized Cost of Heat (LCOH) has been computed for different thermal storage sizes in order to find the best combination that minimizes it. As a result, despite the overall increase of the SF with the thermal storage capacity, the proposed work shows how the minimum value of the LCOH (7.24 c€/kWh) corresponds to low storage capacity (1 MWh)
ENEA research and innovation on thermal energy storage for CSP plants
No full textThermal Energy Storage is a key factor for efficiency, dispatchability and economic sustainability of Concentrating Solar Power plants. Since 2001 ENEA has developed new CSP plants concepts using molten salts as heat transfer fluid, in which TES is a crucial component. Starting from its experience, to reduce the cost of solar energy, ENEA has been continuing to study innovative solutions for TES systems, increasing energy density, reducing volumes and costs, and maintaining a high heat exchange efficiency. The storage cost reduction, together with the solar field cost decrease, would make the CSP energy competitive compared to fossil sources. The study of new storage materials and new and efficient solutions for heat exchange are the basis of today research. Two different TES concepts have being developed: the first one is based on particular concretes used as sensible heat storage medium. The second one envisages new types of latent heat TESs in which the phase change materials can be mixed with a small amount of nanoparticles to increase their thermo-physical characteristics. First results are very interesting for energy storage amount, charging/discharging times and cyclability, and permit, in a short-medium time perspective, to develop modular TESs concepts. In a long time perspective, ENEA aims to set up a new research topic on thermochemical storage systems to increase energy density and storage period. This allow the realization of TES with large thermal capacity and seasonal utilization avoiding plants oversizing or fossil thermal backups, contributing to solar plant cost reduction and green-energy amount increasing
A New Phase Change Material Based on Potassium Nitrate with Silica and Alumina Nanoparticles for Thermal Energy Storage
No full textIn this study different nanofluids with phase change behavior were developed by mixing a molten salt base fluid (KNO3 selected as phase change material) with nanoparticles using the direct synthesis method. The thermal properties of the nanofluids obtained were investigated. Following the improvement in the specific heat achieved, these nanofluids can be used in concentrating solar plants with a reduction of storage material. The nanoparticles used (1.0 wt.%) were silica (SiO2), alumina (Al2O3), and a mix of silica-alumina (SiO2-Al2O3) with an average diameter of 7, 13, and 2-200 nm respectively. Each nanofluid was prepared in water solution, sonicated, and evaporated. Measurements of the thermophysical properties were performed by DSC analysis, and the dispersion of the nanoparticles was analyzed by SEM microscopy. The results obtained show that the addition of 1.0 wt.% of nanoparticles to the base salt increases the specific heat of about 5-10 % in solid phase and of 6 % in liquid phase. In particular, this research shows that the addition of silica nanoparticles has significant potential for enhancing the thermal storage characteristics of KNO3. The phase-change temperature of potassium nitrate was lowered up to 3 °C, and the latent heat was increased to 12 % with the addition of silica nanoparticles. These results deviated from the predictions of theoretical simple mixing model used. The stored heat as a function of temperature was evaluated for the base salt, and the nanofluids and the maximum values obtained were 229, 234, 242, and 266 J/g respectively. The maximum total gain (16 %) due to the introduction of the nanoparticles (calculated as the ratio between the total stored heat of the nanofluids and the base salt in the range of temperatures 260-390 °C) was also recorded with the introduction of silica. SEM and EDX analysis showed the presence of aggregates in all nanofluids: with silica nanoparticles they were homogenously present while with alumina and silica-alumina also zones with pure salt could be detected
Hybrid solar-biomass combined Brayton/organic Rankine-cycle plants integrated with thermal storage: Techno-economic feasibility in selected Mediterranean areas
Full text linkThis paper presents a thermodynamic analysis and techno-economic assessment of a novel hybrid solar-biomass power-generation system configuration composed of an externally fired gas-turbine (EFGT) fuelled by biomass (wood chips) and a bottoming organic Rankine cycle (ORC) plant. The main novelty is related to the heat recovery from the exhaust gases of the EFGT via thermal energy storage (TES), and integration of heat from a parabolic-trough collectors (PTCs) field with molten salts as a heat-transfer fluid (HTF). The presence of a TES between the topping and bottoming cycles facilitates the flexible operation of the system, allows the system to compensate for solar energy input fluctuations, and increases capacity factor and dispatchability. A TES with two molten salt tanks (one cold at 200 °C and one hot at 370 °C) is chosen. The selected bottoming ORC is a superheated recuperative cycle suitable for heat conversion in the operating temperature range of the TES. The whole system is modelled by means of a Python-based software code, and three locations in the Mediterranean area are assumed in order to perform energy-yield analyses: Marseille in France, Priolo Gargallo in Italy and Rabat in Morocco. In each case, the thermal storage that minimizes the levelized cost of energy (LCE) is selected on the basis of the estimated solar radiation and CSP size. The results of the thermodynamic simulations, capital and operational costs assessments and subsidies (feed-in tariffs for biomass and solar electricity available in the Italian framework), allow estimating the global energy conversion efficiency and the investment profitability in the three locations. Sensitivity analyses of the biomass costs, size of PTCs, feed-in tariff and share of cogenerated heat delivered to the load are also performed. The results show that the high investment costs of the CSP section in the proposed size range and hybridization configuration allow investment profitability only in the presence of a dedicated subsidy framework such as the one available in the Italian energy market. In particular, the LCE of the proposed system is around 140 Eur/MWh (with the option to discharge the cogenerated heat) and the IRR is around 15%, based on the Italian electricity subsidy tariffs. The recovery of otherwise discharged heat to match thermal energy demand can significantly increase the investment profitability and compensate the high investment costs of the proposed technology
Nanofluids with Enhanced Heat Transfer Properties for Thermal Energy Storage
No full textThis chapter describes recent progress on the development of suspensions of nanometer-sized solid particles in base liquids (nanofluids) for thermal energy storage application.
Among the various methods of energy storage, Latent Heat Thermal Energy Storage (LHTES) Systems using Phase Change Materials (PCMs) have been gaining importance in many fields like solar energy systems, heating and cooling systems and buildings due to their high energy storage density and their ability to provide heat at a constant temperature.
The storage systems utilizing PCMs can be reduced in size respect to systems based on sensible heat. The increase of the thermal capacity of a storage media may allow several advantages for the thermal energy storage systems since a high quantity of heat can be stored in a small volume of material. In this way the thermal storage systems become more compact reducing the overall costs.
Research on nanofluids specific heat has been, however, limited compared to that on thermal conductivity while the description and the analysis of the heat capacity of nanofluids are in fact crucial since its improvement can reduce the amount of storage material.
The chapter starts with a comprehensive description of the principal methods of nanofluid preparation and then it reports the experimental results focusing on the thermal properties with particular attention on the heat capacity enhancement and thermal storage capability as well as the heat of fusion and the characteristic melting temperatures.
Nanofluids based on salts (e.g. nitrates and carbonates) as phase change materials are considered since in the last years several works reported results of nanofluids properties based on mixed salts with different ratio with the addition of different nanoparticles (e.g. oxide nanoparticles, nanotubes). This chapter proposes an overview on the heat capacity enhancement of these nanofluids with the comparison of both theoretical models and experimental results.
Finally, the challenges of using nanofluids in solar energy devices are discussed
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