Optical characterization of a beam down linear Fresnel reflector

This master's thesis introduces an innovative beam-down linear Fresnel reflector (BDLFR) prototype designed to harness solar irradiance close to the ground, redirecting it linearly towards a high focus point. The design prioritizes cost-effectiveness by utilizing flat mirrors and considering shading effects between adjacent mirrors and spillage in the solar receiver. The primary reflector comprises forty 5.5 cm wide mirrors, and the beam-down section includes eighteen 5 cm wide mirrors, resulting in a prototype measuring 3.16 m in the transversal plane, 1.6 m in the longitudinal plane, and 1.8 m in height. The work commenced with the mechanical refinement of an existing prototype, involving structural enhancements and the design and fabrication of metallic components to support the scale model. A comprehensive redesign of the mirror movement mechanism improved precision and accuracy. The study further delved into an indoor investigation, focusing on quantifying optical errors and alignment issues for a quarter of the field. Two experimental campaigns were conducted under direct sunlight, initially considering a quarter of the field and subsequently evaluating the entire array with 40 mirrors. The solar field's characterization involved a thorough comparison between the constructed prototype and its design. Monte Carlo ray-tracing simulations were employed to assess the potential of the prototype, considering expected mirror positions and inclinations. Six on-sun tests were conducted in the Universidad Carlos III de Madrid campus (40º N, 3º W), Spain, comparing the results with simulations under similar conditions. The prototype achieved an average solar concentration of 6.41 suns with an optical efficiency of 29.14%, as measured between July 3rd and 4th, 2023, over a 10 cm wide receiver. This research signifies a significant advancement in the development and assessment of BDLFR technology, showcasing its potential for concentrated solar power applications.

Questa tesi magistrale presenta la caratterizzazione ottica di un prototipo in scala di laboratorio di riflettore lineare Fresnel a irraggiamento (BDLFR), progettato per sfruttare l'irraggiamento solare ridirigendolo linearmente verso un punto ad elevata concentrazione. Il design pone l'accento sulla convenienza economica mediante l'utilizzo di specchi piatti e la considerazione degli effetti di ombreggiatura tra specchi adiacenti e dello sversamento nel ricevitore solare. Il riflettore primario comprende quaranta specchi larghi 5,5 cm, mentre la sezione di reindirizzamento verso il basso include diciotto specchi larghi 5 cm, risultando in un prototipo delle dimensioni di 3,16 m nel piano trasversale, 1,6 m nel piano longitudinale e 1,8 m in altezza. Il lavoro è iniziato con il perfezionamento meccanico del prototipo già precedentemente studiato da altri, coinvolgendo miglioramenti strutturali, la progettazione e fabbricazione di componenti di supporto del modello in scala. Un ridisegno completo del meccanismo di movimento degli specchi ha migliorato la precisione e l'accuratezza. Lo studio è proseguito con un'indagine svolta all’interno del laboratorio, concentrandosi sulla quantificazione degli errori ottici e dei problemi di allineamento per un quarto del campo. Sono state condotte quindi due campagne sperimentali sotto la luce solare diretta, inizialmente considerando un quarto del campo e successivamente valutando l'intero array con 40 specchi. La caratterizzazione del campo solare ha coinvolto un'approfondita comparazione tra il prototipo costruito e il suo design teorico. Sono state effettuate simulazioni con il metodo di Monte Carlo relative al tracciamento dei raggi per valutare il potenziale del prototipo, considerando le posizioni e le inclinazioni degli specchi attese. Sono stati condotti sei test presso il campus dell'Università Carlos III de Madrid (40º N, 3º W), in Spagna, confrontando i risultati con simulazioni in condizioni simili. Il prototipo ha raggiunto una concentrazione solare media di 6,41 soli con un'efficienza ottica del 29,14%, misurata tra il 3 e il 4 luglio 2023, su un ricevitore largo 10 cm. Questa ricerca rappresenta un significativo sviluppo nella valutazione della tecnologia BDLFR, evidenziandone il suo potenziale per applicazioni di energia solare concentrata.