Design and optimization of a point focus Beam-Down system

In CSP applications, Beam-Down optics (BD) can play a major role in the future decarbonized energy scenario. The presence of a ground-mounted receiver avoids moving the working fluid from the tower up to the power block and therefore decreases the thermal and pumping losses. The thermal performances can be further boosted thanks to the installation of a tertiary concentrator, namely a Compund Parabolic Concentrator (CPC). The redirection of solar rays from the heliostat field toward the ground is guaranteed by the presence of a hyperbolic Secondary Reflector (SR). The currently installed BD optic solar fields are made out of a circular surrounded pattern. This thesis aims at investigating the possibility of generating an asymmetrical solar field, so to exploit the most performing area of the site, in terms of cosine, at latitudes far from the equator. It was chosen to perform the analysis for a 50 MWth, at receiver aperture, solar field at a latitude of 25° North. The generation of the heliostat field is of a radial staggered type and follows the procedure presented by Collado (code campo). Furthermore, it was shown that the most performing area of the solar site, in terms of cosine, is strongly influenced by the shadow of the hyperboloid and that the replacement of mirrors in that part of the field, with farther ones, less shaded, can increase the annual optical performance up to 3%. On the other hand, the farther heliostat selection is strongly influenced by the geometry of the CPC, and therefore a matrix optimization method is presented, to maximize the annual optical-thermal performance of the system at different eccentricity values and aim point heights. The results are also assessed in terms of economic parameters and the best configuration was found for eccentricity equal to 3 and an aim point of 120 m. System annual efficiency is 59.49% based on a clear sky DNI model, the product of 67.63% optical and 87.96% thermal efficiency, at receiver temperature of 750 °C. Moreover, a 1D thermal model is presented for different possible configurations of the SR. The cooling power required to maintain the temperature of the silver reflective surface at its limit value (65 °C) was found equal to 5.38 MW.

Negli impianti a CSP, specialmente le torri solari, l’ottica a Beam-Down può svolgere un ruolo importante nel futuro scenario energetico decarbonizzato. L’installazione del ricevitore a terra evita di movimentare il fluido di lavoro dalla torre fino al blocco di potenza, dimuinendo quindi, le perdite termiche e di pompaggio. Le prestazioni termiche possono essere ulteriormente incrementate grazie all’installazione, sopra al ricevitore, di un concentratore terziario, generalmente di tipo parabolico (CPC). Il reindirizzamento dei raggi solari dal campo di eliostati verso il suolo è garantito dalla presenza di un Riflettore Secondario (RS) iperbolico. I campi solari a ottica BD attualmente installati sono costituiti da un campo circolare. Questa tesi ambisce a valutare la possibilità di generare un campo solare asimmetrico, così da sfruttare la zona di più performante del sito, in termini di coseno, a latitudini lontane dall’equatore. È stato scelto di performare l’analisi per un campo solare da 50 MWth all’apertura del ricevitore, a 25° di latitudine Nord. La generazione del campo di eliostati è di tipo radiale sfalsato e segue la procedure presentata da Collado (codice campo). Inoltre, è stato dimostrato che la zona più performante del sito solare, in termini di coseno, è fortemente influenzata dall’ombra dell’iperboloide e che la sostituzione di specchi in quella parte di campo, con altri più lontani e meno ombreggiati, può incrementare le prestazioni annuali ottiche fino al 3%. La selezione degli eliostati più lontani è fortemente influenzata dalla geometria del CPC e quindi un metodo di ottimizzazione a matrici viene presentato, al fine di massimizzare le prestazioni annuali ottico-termiche del sistema a differenti valori di eccentricità e altezza del fuoco superiore. I risultati sono analizzati anche in termini di parametri economici e la configurazione migliore è stata trovata per eccentricità pari a 3 e fuoco superiore a 120 m. L’efficienza annuale del sistema è del 59.49% sulla base di un modello DNI a cielo sereno, prodotto del 67.63% di efficienza ottica e 87.96% termica, alla temperatura del ricevitore pari a 750 °C. Inoltre, viene presentato un modello termico 1D per diverse possibili configurazioni del RS. La potenza di raffreddamento necessaria per mantenere la temperatura della superficie riflettente d’argento al suo valore limite (65 °C) è stata trovata pari a 5.38 MW.