Influence of cloud passing on the dynamic thermal performance of central receivers in tower CSP plants

The aim of this thesis is to analyze the performance of two commercial solar towers, PS10 and Gemasolar, in off-design conditions. It has been 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, a model for the stationary and transitory events is created. Heat flux maps are obtained by a previous master thesis work of students of Politecnico di Milano. In particular they are calculated with Delsol3, a software for performance simulation of Solar Power Plant developed by Sandia National Laboratories, creating an user interface with Matlab. Then studies have been done with these codes. Firstly, thermal studies show how the best aiming strategy able to reduce the heat flux peaks is also the best aiming strategy in order to reduce the receiver temperatures. 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 steam/molten salts production. The decrease of the peak flux values appears also in the thermal model with overall lower and more uniform temperatures, thus lower gradients. Moreover the production is not affected. Then some more studies have been done in order to show the potentiality of the created code. Finally a stresses analysis is suggested to allow a better understanding of the receiver behavior and its risks.

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 del carico termico causano repentine variazioni di temperatura che possono portare ad elevati stress termici nel ricevitore. Nella prima parte del lavoro un modello per rappresentare lo stato stazionario e transitorio del ricevitore è stato creato. Le mappe di flusso, ottenute da un lavoro di tesi precedentemente svolto da studenti del Politecnico di Milano, 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. In seguito sono stati svolti degli studi con questi codici. Principalmente si è cercato di dimostrare come la strategia di puntamento in grado di ridurre i picchi di flusso e le sue variazioni fosse a sua volta anche la migliore strategia per la riduzione delle temperature del ricevitore. L’idea principale di questa strategia è infatti quella di distribuire il più omogeneamente possibile la radiazione su tutto il ricevitore, così da ridurre i picchi di flusso senza però compromettere la produzione di energia. Questo comporta effettivamente una riduzione e una maggiore uniformità delle temperature con produzioni sempre buone, se non migliori, rispetto alle altre strategie prese in esame. Inoltre altri studi volti a mostrare le potenzialità del presente codice sono stati effettuati. Infine, è stato suggerito uno studio più approfondito degli stress termici così da poter meglio comprendere il funzionamento del ricevitore e i rischi a cui è sottoposto.