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May 17, 2023

L'innovazione nell'assorbitore volumetrico porta l'efficienza OVR al 90%

Posted onDecember 15, 2022December 15, 2022Author Screen-printed ceramic

Pubblicato il15 dicembre 202215 dicembre 2022Autore

Struttura assorbitore in ceramica serigrafata realizzata da Exentis Group.

In un recente progetto di ricerca e sviluppo condotto da un consorzio delle società tedesche Kraftanlagen Energies & Services GmbH, Vitesco Emitec ed Exentis Group insieme al Centro aerospaziale tedesco è stato dimostrato che il potenziale di efficienza del ricevitore volumetrico è lungi dall'essere esaurito con le strutture di assorbimento attualmente disponibile.

In base alle capacità produttive delle aziende coinvolte, sono state progettate geometrie strutturate tridimensionalmente in scala estremamente fine. Per la progettazione strutturale è stato applicato un nuovo metodo di ottimizzazione basato sulla simulazione e sono stati coinvolti specialisti delle aziende produttrici.

Come il ricevitore di sale fuso attualmente più utilizzato, il serbatoio d'aria volumetrico aperto (OVR) è l'unica tecnologia di ricevitore avanzata che offre un concetto di stoccaggio collaudato, efficace e scalabile.

FIGURA 1: Schema di un impianto solare con ricevitore volumetrico aperto (OVR).

Inoltre, la tecnologia OVR presenta notevoli vantaggi in termini di semplicità e robustezza di funzionamento rispetto agli impianti con ricevitori di sali fusi. Con temperature di uscita dell'aria di 650°C e oltre, ha la temperatura di processo superiore più alta attualmente disponibile, aprendo il potenziale per l'utilizzo dei moderni processi a vapore a 620°C ad alta efficienza.

La tecnologia OVR è stata sviluppata ad un alto grado di maturità negli ultimi due decenni e viene dimostrata come un sistema di centrale elettrica completo nella torre solare tedesca Jülich, una centrale elettrica sperimentale gestita dal Centro aerospaziale tedesco (FIGURA 2).

FIGURA 2: Centrale sperimentale Solar Tower Jülich in funzione.

L'assorbitore volumetrico, il componente principale della tecnologia OVR, è una struttura porosa che consente alla radiazione solare concentrata di penetrare in profondità nel suo volume per essere assorbita e trasferita sotto forma di calore al flusso di gas parallelo attraverso l'ampia superficie interna (FIGURA 3).

I materiali tipici utilizzati come assorbitori sono reti di fili metallici di leghe di acciaio resistenti alla temperatura, strutture di schiuma reticolata in ceramica o strutture a canale in acciaio o ceramica.

FIGURA 3: Principio di funzionamento dell'assorbitore volumetrico.

L’attuale assorbitore all’avanguardia, utilizzato anche nella Torre Solare Jülich, è costituito da favi estrusi di ceramica al carburo di silicio con una cellularità di circa 80 cpsi e una porosità aperta del 50% (FIGURA 4).

FIGURA 4: Modulo assorbitore all'avanguardia con nido d'ape in ceramica

Vitesco Emitec ha prodotto un corpo di strutture di canali costituite da coppie alternate di lamiere metalliche ultrasottili planari e ondulate (~ 50 micrometri) di una lega di acciaio ad alta temperatura. Le lamiere possono variare in lunghezza e orientamento (FIGURA 5).

FIGURA 5: Modulo assorbitore Vitesco Emitec con struttura a canali in lamina metallica.

FIGURA 6: Modulo assorbitore Exentis Group con struttura frontale a perni in ceramica.

Gruppo Exentis ha prodotto strutture di canali con un'innovativa tecnologia di produzione additiva: serigrafia con ceramica SiC. La loro struttura a nido d'ape è caratterizzata da canali terminanti con perni molto sottili verso il fronte irradiato (FIGURA 6).

In un processo di progettazione in due fasi, le nuove strutture dell'assorbitore sono state inizialmente prodotte e testate con dimensioni della sonda di 60 mm x 60 mm prima di essere prodotte con dimensioni del modulo di 140 mm x 140 mm compatibili con il ricevitore sulla torre solare Jülich.

I test di entrambe le dimensioni sono stati eseguiti su un banco di prova nel simulatore solare artificiale Synlight ® di DLR per misurare l'efficienza termica rispetto all'assorbitore all'avanguardia. Successivamente i nuovi assorbitori di dimensioni modulari sono stati fatti funzionare per diversi giorni con la radiazione solare concentrata nella torre solare Jülich per dimostrare la loro stabilità in un ambiente reale con transitori, soprattutto dovuti alle nuvole.

I risultati delle misurazioni rivelano un vantaggio significativo nell’efficienza termica delle nuove strutture di assorbimento rispetto ad un assorbitore all’avanguardia (FIGURA 7). Alla temperatura di riferimento di 650°C la struttura Vitesco Emitec mostra un'efficienza termica del 91% e la struttura Exentis Group del 92%, che sono rispettivamente +6 e +7 punti rispetto allo stato dell'arte.