Influence of cloud passing on the dynamic thermal performance of a tower receiver with heat storage system

Concentrated solar power (CSP) is expected to play a key role in the necessary energy transition towards more sustainability. However, this type of system is inherently subject to transient boundary conditions such as varying solar irradiation. In this regard, heat storage system can be coupled to traditional plants in order to reduce the intrinsic source unpredictability. In the described context, advanced control strategies are required to maintain safe operating conditions and to maximize power generation exploiting the system potential. In order to define, implement and test these control strategies, dynamic models of the system must be developed. In particular, this thesis aims to develop a model through which simulate the performances of an existing CSP plant with heat storage system (Gemasolar, Fuente de Andalusia, Seville - Spain) according to real weather conditions. In a first step, a power plant time-scale analysis has been developed in order to demonstrate how the receiver processes mostly characterise the overall dynamic system performances according to the considered time-frame. Then, starting from a a technical background composed by two previous works, the developed tool takes as input radiation map according to different aiming strategies and variable weather conditions. The receiver model has been designed according to proper assumptions and both stationary and transient performances have been analysed. In a later stage, the whole model, enriched with a suitable control system logic, is exploited to investigate the receiver response with respect to the clouds perturbations. Once linked receiver and power block substructures complex scenarios have been simulated focusing the attention on the heat storage system filtering function. This work has been conduced using the software Matlab, implementing autonomously all the source codes.

La tecnologia CSP riveste un ruolo fondamentale nel lento ma graduale processo di transizione volto a ridurre la dipendenza dalle risorse fossili e favorire lo sfruttamento di fonti di energia sostenibili. Tuttavia, questa tipologia di impianto risulta essere fortemente influenzata dalla disponibilità della radiazione solare. A questo proposito, particolari sistemi di accumulo termico possono essere utilizzati per ridurre l’impatto causato dall’imprevedibilità della risorsa primaria e incrementare la produzione di energia elettrica. In questo contesto tecnologico sono neccessari sistemi di controllo e modelli di simulazione avanzati con i quali analizzare nuove possibili strategie di gestione dell’impianto in modo da massimizzarne le prestazioni, garantendo allo stesso tempo ragionevoli condizioni di sicurezza. L’obiettivo del seguente lavoro consiste in particolare nella realizzazione di un modello termodinamico con il quale simulare le prestazioni di un impianto CSP realmente esistente (Gemasolar, Fuente de Andalucia, Siviglia - Spagna) secondo le diverse condizioni meteorologiche. In primo luogo é stata sviluppata l’analisi dei tempi di risposta caratteristici di tutti gli elementi tecnici presenti nella centrale, dimostrando come il comportamento dinamico del ricevitore solare risulti essere determinante in termini di prestazioni generali dell’impianto. Utilizzando come input i risultati di due precedenti lavori di tesi (De Giorgi e Crespi-Zani) é stato possibile considerare mappe di radiazione solare variabili nel tempo a seconda dell’ora del giorno, del periodo dell’anno e delle condizioni meteorologiche. In un secondo momento, utilizzando le poche informazioni disponibili in letteratura e applicando alcune ipotesi semplificative, é stato progettato il modello geometrico del ricevitore Successivamente sono stati sviluppati autonomamente due diversi codici per la soluzione del problema termico in regime stazionario e transitorio del ricevitore. Il modello globale, ottimizzato con un apposito sistema di controllo, é stato poi utilizzato per analizzare gli effetti provocati sul sistema da differenti tipologie di nubi. Infine, una volta analizzate le condizioni di funzionamento nominale del blocco di potenza della centrale, é stato possibile simulare in maniera completa diversi scenari metereologici, valutando in entrambi i casi l’utilitá del sistema di accumulo termico. Il software Matlab é stato utilizzato per tutte le simulazioni numeriche citate.