Applicazioni innovative dei cicli mini ORC: la pompa idraulica solare

Nova Somor ha sviluppato un interessante modello di pompa idraulica solare basato su un ciclo di Rankine organico

Approfondimento a cura di Ing. Lisa Branchini, Prof. Michele Bianchi, Ing. Andrea De Pascale, Ing. Melino Francesco, Dipartimento di Ingegneria Industriale – Università di Bologna Ing. Saverio Ottaviano – Università di Ferrara, Roberto Belardinelli, Alessandro Dimaiuta, Giordano Mancini – Nova Somor

Negli ultimi anni, i sistemi a ciclo di Rankine con fluido organico (ORC) hanno attirato l’interesse della ricerca scientifica e dello sviluppo industriale, principalmente nel campo della generazione distribuita.

Come noto, tali sistemi sono caratterizzati da un’elevata semplicità tecnologica, risultano estremamente flessibili per quanto riguarda lo sfruttamento di svariate tipologie di sorgenti termiche a diversi livelli di temperatura, e sono particolarmente adatti alle applicazioni cogenerative. Il possibile mercato di tale tecnologia è potenzialmente molto ampio, soprattutto per quello che riguarda il settore civile/residenziale.

Tra i vari modelli presenti sul mercato, particolarmente interessante è un’applicazione ORC sviluppata dalla Nova Somor, prevalentemente progettata per la produzione di energia meccanica per l’azionamento diretto di macchine operatrici. Più in dettaglio, il sistema in oggetto – che impiega come fluido organico l’R134a – è in grado di sfruttare la differenza di temperatura tra due sorgenti termiche per trascinare, con moto alternato, un sistema di pompaggio finalizzato al sollevamento di acqua di pozzo o altre fonti. La sorgente calda di tale sistema – denominato pompa idraulica solare NS2 – è costituita dal calore proveniente da generatori solari termici o da cascami di altra natura, mentre quella fredda è rappresentata dalla stessa acqua di pozzo.

Uno schema concettuale della macchina in oggetto è presentato in Figura 1. Tra i componenti costruttivi sono facilmente riconoscibili:
1) il motore primo del sistema (basato, come già detto, su un ciclo di Rankine organico) composto da due pistoni (espansore e pompa) e due scambiatori di calore (evaporatore e condensatore);
2) il circolatore dell’acqua calda che provvede alla circolazione tra i captatori solari e l’evaporatore;
3) il circolatore dell’acqua fredda che, come detto, preleva l’acqua di pozzo e la invia al condensatore del sistema prima di consegnarla all’utilizzatore finale.

Layout semplificato dei principali componenti costruttivi della pompa idraulica solare NS2

Per massimizzare la resa giornaliera dei captatori solari è stato ideato e brevettato un inseguitore solare polare termodinamico. Tale sistema innovativo presenta un asse ad inclinazione fissa (in direzione nord-sud) e uno variabile che permette ai pannelli di seguire lo spostamento del sole (da est a ovest durante la giornata).

L’inseguimento è reso possibile grazie ad un attuatore che pone in rotazione il pannello stesso quando si genera una sempre diversa pressione del fluido organico quando il pannello non è ruotato in direzione del Sole. Tale sistema permette di aumentare notevolmente le prestazioni della pompa idraulica solare (rappresentata in Figura 2), in termini di acqua sollevata al giorno, a parità di superficie di captazione. La pompa idraulica solare è completamente priva di controlli elettrici o elettronici e in assenza di calore può essere azionata anche manualmente.

Schema tridimensionale della pompa idraulica solare NS2

Nova Somor ha sviluppato ulteriori applicazioni della macchina in oggetto in cui l’energia termica è fornita da una caldaia a biomassa o da un’altra sorgente di calore  disponibile. Ulteriori possibilità sono quelle di abbinare il sistema descritto ad (i) un alternatore per la produzione di energia elettrica, (ii) a sistemi di refrigerazione solare, (iii) alla desalinizzazione delle acque e (iv) alla circolazione dell’acqua calda per il riscaldamento civile senza l’ausilio di energia elettrica.
Recentemente il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna e la Nova Somor hanno avviato una collaborazione finalizzata alla realizzazione di un banco
prova per testare la pompa idraulica solare NS2 al fine di incrementarne le prestazioni e studiare nuove possibili applicazioni.

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