Energy and economic assessment of a micro gas turbine coupled with parabolic dish for small-scale applications

In the present scenario of utility markets restructuring, emergency of green markets and increasing of world demand for distributed generation, significant opportunities for small power systems, ranging in size from a few kW to several MW, appeared. Among the renewable energy resources, CSP technologies represent important candidates for providing such share of clean energy needed. Although CSP have been investigated mainly for large-scale power plants, this thesis deal with a complete thermo-economic analysis of a solar micro gas turbine for small-scale and/or off-grid applications. The system is implemented with parabolic dish, each one equipped with a micro gas turbine with a net power output of almost 25 kWEL. Then, exploiting dishes’ modularity, it is possible to get whatever energy load is required. However, this study is concentrated on small scale power output, thus lower than 1 MWEL. Firstly, the behaviour of the solar field and of the thermal receiver, then the performances of the overall system, are investigated in detail. Both on-design and off-design conditions of the system have been studied, since it runs mostly in off-design conditions during the year. Finally, an economic analysis is carried out, computing the levelized cost of electricity, allowing the comparison with other technologies.

Nell’ attuale scenario di ristrutturazione dell’”Utility Market”, dell'emergenza di un mercato “green” e dell'aumento della domanda mondiale di generazione distribuita, sono apparse opportunità significative per sistemi energetici di dimensioni comprese tra pochi kW e diversi MW. Tra le risorse energetiche rinnovabili, le tecnologie solari a concentrazione rappresentano importanti candidati per fornire tale quota di energia pulita. Sebbene tali tecnologie siano state prevalentemente studiate per impianti di grandi dimensioni, questa tesi si occupa di una completa analisi termo-economica di una micro turbina a gas solare per applicazioni di piccola taglia e/o “off-grid”. Il sistema è implementato con “parabolic dish”, ognuno dotato di una micro turbina con una potenza netta di circa 25 kWEL. Inoltre, sfruttando la modularità dei “dish”, è possibile ottenere qualsiasi carico di energia richiesto. Tuttavia, questo studio si concentra sulla produzione di energia su piccola scala, quindi inferiore ad 1 MWEL. In primo luogo, viene analizzato il comportamento del campo solare e del ricevitore termico, mentre successivamente il lavoro si concentra sulle prestazioni dell’intero impianto. Sia le condizioni di progetto sia quelle fuori progetto del sistema sono state studiate dettagliatamente, poiché durante le simulazioni annuali l’impianto opera perlopiù in condizioni fuori progetto. Infine, è stata eseguita un'analisi economica, attraverso il calcolo del costo dell’elettricità, in modo tale da poter confrontare questo sistema con altre tecnologie competitive.