La ricerca che intendo intraprendere pone come obiettivo principale quantificare e gestirela produzione di energia elettrica e termica di un prototipo di impianto cogenerativo solare per applicazioni in ambito residenziale. Nel dettaglio si vuol indagare in che misura il sistema di controllo dell¿impianto impatti sulle prestazioni di ciascun sottosistema, di conseguenza si indagherà il miglior thermal management al fine di minimizzare il consumo di energia primaria fossile necessaria per sopperire all¿intermittenza della fonte solare. MATLAB/Simulink saranno le piattaforme software principali per la modellazione matematica, Labview sarà invece da ausilio per il controllo vero e proprio mediante protocollo ModBus. Per ciascuna località presa in esame il risultato della ricerca mostrerà i kWhe e kWht prodotti con utenze specifiche e fornirà delle linee guida sull¿ottimizzazione della strategia di controllo in quella specifica condizione d¿uso.
l¿innovazione della ricerca nell'ambito energetico deriva principalmente da:
1. incrementare le conoscenze nell'ambito dello scambio termo-fluidodinamico
-Sebbene il modello termico del ricevitore solare sia stato già validato in letteratura, i dati sperimentali saranno d¿ausilio per successivi affinamenti delle dispersioni termiche e i guadagni termici del coating superficiale, soprattutto considerando la disuniformità della distribuzione radiativa lungo la periferia esterna del collettore. A tal proposito i dati del modello termico Forristall provengono da un parabolic trough collector (PTC), occorrerà quindi verificare l¿effettiva applicabilità in fase operativa di differenti condizioni ottiche in ingresso.
2. valutare le potenzialità derivanti dall'introduzione di un serbatoio a cambiamento di fase rispetto ad uno classico che sfrutta il calore sensibile per lo stoccaggio dell¿energia termica
3. valutare le potenzialità di miglioramento di accumulo in fase di caricamento/scaricamento termico
Come già accennato in precedenza, esistono pochissimi esempi in letteratura dell¿uso di LHTESS per applicazioni residenziali, in questo caso il problema fondamentale consiste nella scelta del giusto PCM in accordo con le potenzialità del campo solare e della massima temperatura accettabile dal ciclo organico. Infatti la compatibilità dei materiali, la tossicità, la stabilità termica del PCM sono dei punti tutt¿ora aperti, dato che dovranno essere considerati assieme alle prestazioni del LHTESS, ovvero il rapporto tra calore latente e calore sensibile per unità di massa. L¿ostacolo principale della diffusione di questa tecnologia è data principalmente dal costo; nonostante ciò, dai primi test sperimentali si evince una difficoltà intrinseca a trasferire elevate potenze termiche al PCM, anche adottando particelle di grafite espansa al suo interno. Notevoli sforzi di ricerca dovranno essere compiuti in tal senso, i dati sperimentali derivanti saranno di grande interesse per la comunità scientifica.
Le valutazioni prestazionali su questo genere d¿impianto hanno già avuto un riscontro positivo grazie all'inserimento nelle special issue su Applied Energy dell¿articolo scaturito da questi studi [¿Mathematical modelling of operation modes and performance evaluation of an innovative small scale concentrated solar ORC¿].
Le analisi teoriche che condurrò sul prototipo serviranno a capire come i singoli sottosistemi interagiscono tra loro (scale dei tempi caratteristici) e in che modo si possa intervenire nella gestione dell¿impianto (regolazione mediante PID influenzato dalla dinamica), il controllo ha un impatto che talvolta può superare anche il 30% della resa energetica totale dello stesso.
L¿avanzamento rispetto allo SoA attuale è principalmente rappresentato dall'applicazione dei Model Predictive Control (MPC), su un impianto micro-CHP solare e dall'uso di un sistema Hardware In the Loop (HIL) in fase di testing.
I controlli predittivi applicati solo di recente (1980) spesso in controlli di processo, recentemente si stanno adottando anche nel controllo degli impianti energetici. La teoria alla base considera un' ottimizzazione iterativa col principio di minimizzazione numerica su un orizzonte temporale relativamente ristretto. L¿aleatorietà dell¿energia solare, accompagnata dall'altrettanta stocaticità di richiesta di acqua calda sanitaria, riscaldamento ed elettricità rende questo tipo di approccio molto efficace e si verificherà sul prototipo stesso la sua funzionalità ed adattabilità alle condizioni esterne. A supporto di tali sistemi di controllo, in fase di testing, s¿interviene con l¿HIL. Scopo delle prove HIL consiste nell'utilizzare unità di controllo elettronico per anticipare le verifiche su componenti, sottosistemi e sistemi già nella fase di progettazione e prototipazione, senza attendere la disponibilità del prodotto finale a cui sono destinate. Infatti, i componenti reali installati rispondono ai segnali simulati come se stessero operando in un ambiente reale, poiché non sono in grado di distinguere segnali provenienti da un ambiente fisico da quelli prodotti da modelli software. In questo modo il metodo HIL permette di riprodurre le condizioni operative più diverse; dall'osservazione del comportamento del sistema e dei singoli elementi si riesce ad attuare un test di robustezza rispetto a differenti stati d¿impianto, sia critici che di normale operatività, migliorando così l¿affidabilità in prospettiva di una futura applicazione su un impianto reale. L¿innovatività e l¿interesse verso la tematica di ricerca oggetto di questo studio è stata confermata anche dal terzo posto ottenuto nella competizione internazionale indetta da Mathworks nel Simulink Student Challenge 2018.