Modelling of critical components in solar tower plants for degradation assessment and maintenance planning

The aim of this thesis is to study critical and unique key degradation modes that hinder the performance of Solar Tower (ST) plants and develop strategies to address them. Particular attention is given to the soiling of heliostats and the high-temperature-induced issues (corrosion, creep-fatigue cycles, absorptivity reduction) of the central receiver. The soiling process is modelled through a physical model developed and implemented using Matlab®. Soiled heliostats suffer a reduction of reflectance that is evaluated with a geometrical model that compute the shading and blocking effect of dust particles deposited onto their surface. The model is validated using experimental outdoor data recorded at the Queensland University of Technology (Brisbane, Australia) and further verified through indoor data collected at the Fraunhofer ISE (Freiburg, Germany). Eventually, the reflectance losses predictions are exploited through a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model that performs the optimization of the cleaning schedule of the Solar Field (SF). The outcomes of the MILP model include the timing of the cleaning of each sector of the SF and the best provisioning of cleaning resources for the whole plant. The analysis of the thermal behavior of the central receiver is realized using the open-source language Modelica® and the commercial software Dymola® through the application of the Object-Oriented Modelling (OOM) paradigm. The model accounts for axial and circumferential variation of the solar flux, as well as convective and radiative losses towards the environment. Inertial terms are considered for both the tubes and the Heat Transfer Fluid (HTF) to properly assess the dynamics of the system. The detailed knowledge of the temperature of the tubes provides valuable information for tools designed to predict degradation phenomena, ruptures, and thermal stresses, hence reducing efficiency losses and risk of failures. To summarize, this thesis deals with the identification, the modelling, and the mitigation of the detrimental effects induced by the degradation modes that affect the main and most solar-specific components of a ST plant: the solar field and the central receiver. The developed physical-based models are applied to predict the extent of the induced generation losses and to assess the impact of each degradation mode on the overall performance. Eventually, strategies for mitigation of the performance hindering effects are developed and presented.

Lo scopo di questa tesi è lo studio di quei processi di degradazione specifici di impianti solari a torre che ne limitano le performance, e lo sviluppo di strategie adatte per ridurne l’impatto. Particolare attenzione viene riservata allo sporcamento degli eliostati e alle problematiche del ricevitore dovute alle alte temperature (corrosione, sforzi ciclici a fatica e scorrimento viscoso, riduzione dell’assorbanza). Il processo di sporcamento degli eliostati è simulato attraverso un modello fisico, sviluppato in Matlab®. Gli eliostati coperti di polvere sono affetti da una riduzione di riflettanza stimata attraverso un modello geometrico che considera l’effetto combinato di ostruzione e ombreggiamento delle particelle di polvere sulla superficie degli eliostati stessi. Il modello è validato con dati raccolti attraverso esperimenti realizzati all’esterno presso la Queensland University of Technology (Brisbane, Australia), ed ulteriormente verificati tramite esperimenti realizzati in ambienti chiusi presso il Fraunhofer ISE (Friburgo, Germania). Infine, le previsioni di perdite di riflettanza sono utilizzate per realizzare un’ottimizzazione della pulizia del campo solare attraverso un modello basato su una tecnica di “mixed integer linear programming” (MILP). L’ottimizzazione fornisce gli intervalli di pulizia più convenienti e le risorse necessarie per realizzarli. L’analisi termica del ricevitore è realizzata attraverso il linguaggio “open-source” Modelica® e simulata con il software Dymola®, che applica una tecnica di modellistica “object-oriented”. Il modello tiene in considerazione variazioni di flusso termico solare e perdite radiative e convettive verso l’ambiente in direzione sia assiale che circonferenziale. I termini inerziali nelle equazioni di scambio termico sono considerati sia per i tubi che per il liquido termovettore in modo da valutare adeguatamente il comportamento dinamico del sistema. La conoscenza precisa della temperatura dei tubi fornisce preziose informazioni che possono essere sfruttate da strumenti realizzati con la prerogativa di predire fenomeni di danneggiamento e rottura, stress termici, e quindi di ridurre i rischi di cedimento dei componenti e di riduzione dell’efficienza. Riassumendo, questa tesi si pone l’obiettivo di identificare, modellare, e mitigare quei fenomeni dannosi dovuti a processi di degradazione che riguardano i due componenti più peculiari di un impianto solare a torre: il campo solare ed il ricevitore. I modelli fisici dei diversi processi dannosi sono utilizzati per fornire previsioni riguardo la gravità delle perdite di produzione che causano, e per valutarne l’impatto sulla performance complessiva dell’impianto. Infine, vengono sviluppate e descritte alcune strategie per mitigare gli effetti negativi dei processi descritti.