Strategie di puntamento ottimizzato per centrali solari a torre

This study analyses and compares different aiming strategies for the heliostats of solar power tower plants, in order to level out the distribution of the incident heat flux. The reduction of thermal fluxes allows to lower temperature and thermal stress on receiver tubes and to increase thermal efficiency. The codes developed are based on an analytical formulation that allows to calculate the thermal flux on the receiver and the intercept factor. Different processes of constrained optimization were adopted in order to determine the pointing of the heliostats. Differently from what has been done in other published studies, the case under consideration is that of a cylindrical external receiver. The horizontal aiming point is left unchanged so to reduce optical losses, while vertical aiming point is to be optimized. Consequently, we just need to divide the receiving surface and the solar field into azimuthal sectors and optimize the thermal flux profile on a vertical line passing through the peak flux generated by each sector .The effects due to the fluxes overlapping showed that it was necessary to improve the distribution of the flux in the circumferential direction and consider the reciprocal influence between the sectors. Therefore, the use of Delsol within the optimization process and the definition of aiming strategies based on two parameters turned out to be valuable. The peak flux was reduced by 60-70 % with changes in the intercept factor between 0% and 3% in comparison with the base case with pointing to the receiver centre. Consequently, the maximum temperatures of the tubes decreased by about 75 ° C and there was an increase in thermal efficiency of 0.23 percentage points, with economic advantages in terms of longer service life and lower maintenance costs for the receiver. A sensitivity analysis showed that uncertainties in the pointing system, errors and curvature of the mirrors have a limited influence on the results obtained.

Nel presente lavoro di tesi si analizzano e confrontano diversi metodi di puntamento degli eliostati di centrali solari a torre per uniformare la distribuzione del flusso termico incidente sul ricevitore. La riduzione dei flussi termici consente di ridurre temperature e stress termici sui tubi del ricevitore e incrementare il rendimento termico. I codici sviluppati si basano su una formulazione analitica che permette di calcolare il flusso termico sul ricevitore e il fattore d’intercetta: diversi processi di ottimizzazione vincolata sono stati adottati per definire il puntamento degli eliostati. Diversamente da quanto è stato svolto negli studi presenti in letteratura, il caso preso in esame è quello di un ricevitore esterno cilindrico. Il puntamento orizzontale è lasciato invariato per minimizzare le perdite ottiche, mentre il puntamento verticale è oggetto di ottimizzazione. Di conseguenza, è sufficiente dividere la superficie ricevente e il campo solare in settori azimutali e ottimizzare il profilo di flusso termico lungo una linea verticale passante per il punto di picco del flusso generato da ciascun settore. Quest’ultimo è calcolato tramite esecuzioni multiple di un software dedicato (Delsol). Gli effetti di sovrapposizione tra i flussi hanno messo in evidenza la necessità di migliorare la distribuzione del flusso in direzione circonferenziale e considerare l’influenza reciproca tra settori. In quest’ottica si sono rivelati utili l’integrazione di Delsol nel processo di ottimizzazione e la definizione di strategie di puntamento riconducibili a due parametri. Il picco di flusso è stato ridotto del 60%-70% con variazioni del fattore d’intercetta tra lo 0% e il 3% rispetto al caso base con puntamento al centro. Di conseguenza, le temperature massime dei tubi sono diminuite di circa 75 °C e il rendimento termico è aumentato di 0.23 punti percentuali, con vantaggi economici in termini di vita utile prolungata e minori costi di manutenzione e investimento per il ricevitore. Un’analisi di sensibilità ha mostrato come le incertezze nel sistema di puntamento e gli errori di puntamento e curvatura degli eliostati hanno una influenza limitata sui risultati ottenuti.