Solar beam down tower coupled with combined cycle

The concept of the Beam Down optics is based on inverting the path of the solar rays originating from a heliostat field to a solar receiver located at the ground. This advantage open the possibility to couple the optical system with a Combined Cycle. This solution is a promising technology for future power plant. In this thesis, the optics of the Tower Reflector and the Combined Cycle design are presented. Two surface are considered: hyperboloid and ellipsoid. The optics of the systems are studied and a comparison between the two secondary reflectors is performed. Based on geometrical considerations, the hyperboloid is a superior reflector considering applications in solar power plant. Moreover, a possible real solar power plant configuration is proposed and its performances are computed. The heliostat field is design using SolarPILOT. Whereas, the secondary concentrator is composed by seven concentrators in a honeycomb-like arrangement. The overall solar system annual optical efficiency is 59.14% and the annual thermal efficiency of the solar receiver is 86.88%. The solar system is able to deliver about 86 MWTh in the power cycle at design condition. Then, a solar-driven gas turbine is designed in three different configuration (Simple, One Reheat, and Double Reheat). For the bottoming cycle a three pressure reheat steam cycle is considered. During the off-design operation, the power block operates with fuel backup. The overall system performance are computed annually considering different operational strategy and the levelized cost of electricity (LCOE) is used to determine the optimal power plant solution. The best configuration obtained is the One Reheat Gas Turbine operating at nominal condition mode having a LCOE equal to 8.52 c$/kWhe. It has a solar-to-electricity efficiency equal to 23.32%. The others operational mode (limiting fuel fraction at 30% and at 15% and only solar mode) are characterized by lower annual electricity output.

La configurazione ottica “Beam Down” si basa nell’invertire il tragitto dei raggi solari provenienti dal campo di eliostati con l’obiettivo di concentrare la radiazione al suolo. Questo vantaggio apre la possibilità di accoppiare il sistema ottico con un Ciclo Combinato. In questa tesi sono presenti: lo studio ottico del sistema e il progetto del blocco di potenza. Per la configurazione ottica proposta, due superfici possono essere applicate: iperboloide ed ellissoide. Uno studio ottico teorico è stato sviluppato per confrontare queste soluzioni. Da questa analisi si deduce che l’iperboloide è una soluzione migliore per applicazioni in centrali solari. Successivamente, è stato realizzato il progetto di un impianto solare. In particolare, il campo di eliostati è stato progettato con SolarPILOT; mentre, il concentratore secondario è costituito da sette concentratori disposti a nido d’ape. L’efficienza ottica annuale del sistema solare è 59.14% e l’efficienza termica annuale del ricevitore è 86.88%. In condizioni nominali, il sistema solare introduce 86 MWTh nel ciclo di potenza. Il progetto di un ciclo a gas è stato realizzato considerando tre configurazioni (Semplice, con singolo o doppio Reheat); mentre, il ciclo a recupero considerato è un ciclo a vapore con tre livelli di pressione con Reheat. Il blocco di potenza in condizioni di design è alimentato solamente con il solare; mentre, nelle condizioni di off-design, l’impianto lavora con un backup fossile. Le prestazioni annuali della centrale solare sono state determinate con diverse strategie operative. La soluzione ottimale è stata ottenuta considerando un’analisi tecno-economica basata sul Levelized Cost of Electricity (LCOE). Il ciclo Brayton con un singolo Reheat operante in modalità “condizione nominale” risulta essere la soluzione migliore con un LCOE di 8.52 c$/kWhe e un’efficienza da solare a elettricità di 23.32%. Le altre strategie analizzate (limitando l’uso di combustibile al 30% o al 15% o solo solare) sono caratterizzate da produzioni di elettricità annua inferiori.