Design and Off-design of a simple recuperative cycle for CSP application adopting the CO2 + C6F6 mixture

The objective of this work is to evaluate the feasibility and performance of a simple recuperative cycle based on a CO2 mixture, which is implemented for CSP applications. In the study, a mixture of CO2 and C6F6 at 13% was used, however, the procedure was developed so that it is able to characterize the operation of the cycle, potentially with any type of fluid, at any ambient temperature, and with any load. The innovative idea is in the ability of the procedure to characterize the operation of a cycle of this type under both design and off-design conditions, and in particular, in the latter, through sliding pressure operation. The procedure developed in this thesis involves, first of all, the study and sizing of the entire cycle, and in particular of the heat exchangers, in design conditions. A Shell & Tube was chosen as the Primary Heat Exchanger; it was sized through a MATLAB code, which implements the Bell & Delaware method. Instead, a Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE) was selected as recuperator, it is characterized through a MATLAB code, in this case based on Dostal method. Finally, a V-shaped condenser was modelled based on the results of a previous study. In the second part, starting from the design results, a study on the off-design of the system was developed. In this case, a MATLAB code was implemented so that it is capable of taking into account both the variation in heat load and the variation in ambient temperature. The code provides as output, for each configuration, all operational parameters, including efficiency, pressure drops and heat transfer coefficients. In addition, it was evaluated the feasibility of decoupling the electric generation from the solar source, thus a study on dispatchability was developed. In the end, economic evaluations were made, with the aim of finding the best configuration in terms of SM and TES size. The outcome of the study shows good performance in both design and off-design conditions, only for particularly low part-load conditions the efficiency decreases significantly. Economically, the plant is not yet competitive due to high investment costs, however, with the significant increase in energy prices, it is assumed that it may soon become competitive.

L’obiettivo di questo lavoro è quello di valutare la fattibilità e le prestazioni di un ciclo recuperativo semplice a miscela di CO2, che venga implementato per applicazioni CSP. Nello studio, è stata utilizzata una miscela di CO2 e C6F6 al 13%, tuttavia, la procedura è stata sviluppata affinché sia in grado di caratterizzare il funzionamento del ciclo, potenzialmente con qualsiasi tipo di fluido, a qualsiasi temperatura ambiente e con qualunque carico. L’idea innovativa sta nella capacità di tale procedura di caratterizzare il funzionamento di un ciclo di questo tipo sia in condizioni di design che di off-design, e in particolare, per quest’ultimo, attraverso il funzionamento in sliding pressure. La procedura sviluppata in questa tesi prevede, in primo luogo, lo studio e il dimensionamento dell’intero ciclo, e in particolare degli scambiatori di calore, in condizione di design. Come scambiatore di calore primario è stato scelto uno Shell & Tube, esso è stato dimensionato attraverso un codice MATLAB che implementa il metodo di Bell & Delaware. Per recuperatore è stato selezionato, invece, un Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE), anch’esso caratterizzato attraverso un codice MATLAB, in questo caso basato sul metodo di Dostal. Infine, un condensatore con forma a V è stato modellizzato partendo dai risultati di uno studio precedente. Nella seconda parte, iniziando dai risultati del design, è stato sviluppato uno studio sull’off-design dell’impianto. Anche in questo caso, è stato utilizzato un codice MATLAB capace di tenere in considerazione sia la variazione del carico termico sia quella della temperatura ambiente. Il codice fornisce come output, per ciascuna configurazione, tutti i parametri operativi, tra cui l’efficienza, le perdite di carico e i coefficienti di scambio termico. Inoltre, è stata studiata la fattibilità di disaccoppiare la risorsa solare dalla generazione elettrica e dunque uno studio sulla dispacciabilità. In quest’ultima parte, sono state fatte anche delle valutazioni di stampo economico, con lo scopo di trovare la migliore configurazione in termini di SM e taglia del TES. L’esito dello studio evidenzia delle buone performance sia in condizioni di design che di off-design, solamente in condizioni di carico parziale particolarmente basso l’efficienza decresce in modo significativo. A livello economico, l’impianto risulta non ancora competitivo a causa degli alti costi di investimento, tuttavia, grazie all’importante aumento del prezzo dell’energia, si suppone possa presto diventarlo.