Best aiming strategy definition for off-design conditions due to passage of clouds in a solar tower

The aim of this thesis is to analyze the performances of two commercial solar towers, PS10 and Gemasolar, in off-design conditions. It is studied how the systems work with a reduced and variable DNI due to clouds passage on the solar fields, with a particular focus on the receivers. This component is one of the most critical elements of the plant because it is subjected to very high heat flux coming from the heliostats. Moreover, during transient operations, high energy flux variations cause sudden temperature changes that lead to stresses in the receiver material. In the first part of this work, several aiming strategies are studied, in order to understand which one leads to lower values of peak flux and flux gradient in off-design conditions. Heat flux maps are calculated with Delsol3, a software for performance simulation of Solar Power Plant developed by Sandia National Laboratories, creating an user interface with Matlab. This first optical study shows how the best aiming strategy found for on-design conditions in previous studies is the same also for the present work. The main idea of this strategy is to spread the incident radiation on the entire receiver surface, in order to decrease the peak flux values without a strong impact on the energy production. In the second part of the work, the obtained heat flux maps are used as inputs in a thermal model, implemented in Matlab. The model simulates the heat exchange in the PS10 receiver and produces temperature maps from which it is possible to understand the issues of the off-design conditions. The obtained thermal behavior of the receiver verifies the conclusions made with the optical study: the aiming strategy previously found is able to improve the thermal performance of the receiver, reducing peak fluxes and temperature gradients. Only a few slight deviations from the normal trend are found. In order to better understand these irregularities, several possible improvements of the present codes are proposed and a deeper study of the real thermal stresses is recommended.

La presente tesi ha come scopo l’analisi delle prestazioni di due impianti solari a torre commerciali, PS10 e Gemasolar, in condizioni di funzionamento off-design. Per raggiungere questo obiettivo si è rivelato necessario uno studio sulla risposta del sistema ad una radiazione solare variabile e ridotta a causa del passaggio di nuvole sul campo solare, con particolare attenzione al comportamento del ricevitore. Questo componente è infatti uno degli elementi più critici dell’impianto, a causa del grande carico termico a cui è soggetto. Inoltre, durante i transitori presi in considerazione, le elevate variazioni di quest’ultimo causano repentini gradienti di temperatura che possono portare ad elevati stress termici nel ricevitore. Nella prima parte del lavoro sono analizzate varie strategie di puntamento, con lo scopo di individuare quella che comporta valori inferiori del flusso termico incidente e del gradiente di quest’ultimo. Le mappe di flusso sono calcolate con Delsol3, un software sviluppato da Sandia National Laboratories che permette di simulare il funzionamento di impianti solari a torre. Per rendere il suo utilizzo più intuitivo e immediato viene inoltre programmata una interfaccia in Matlab. Questo primo studio ottico mostra come la strategia di puntamento che si era rivelata essere la migliore in condizioni nominali (studi precedenti), continui ad essere la migliore anche nel presente elaborato. La idea di fondo di questa strategia è quella di distribuire la radiazione incidente più omogeneamente sull’intera superficie del ricevitore, in maniera tale da diminuire i valori dei picchi di flusso senza ridurre la produzione di energia. Nella seconda parte del lavoro, le mappe di flusso precedentemente ottenute sono utilizzate come input per un modello termico, sviluppato in Matlab. Quest’ultimo è in grado di simulare lo scambio termico nel ricevitore della PS10 e di ottenere il profilo di temperatura della superficie esterna del ricevitore stesso, da cui è possibile analizzare le problematiche derivanti da condizioni di utilizzo diverse da quella di disegno. I risultati dello studio termico verificano le conclusioni ottenute con lo studio ottico: la strategia di puntamento trovata in precedenza è in grado di migliorare la performance termica del ricevitore, riducendo sia i picchi di flusso che i gradienti di temperatura. Si riscontrano solo delle piccole deviazioni dagli andamenti medi. Per individuare la fonte di queste irregolarità, vengono proposte diverse modifiche e miglioramenti per entrambi i codici sviluppati e si raccomanda lo svolgimento di uno studio più dettagliato sui reali stress termici prodotti.