Twin-in-the-loop disturbance estimation for a concentrated solar power plant

The present thesis aims to tackle one of the primary challenges in Concentrated Solar Power (CSP) plant control: obtaining accurate heat flux maps, considered as disturbances, on the receiver, particularly in dynamic scenarios characterized by spatially defined cloud transients. This objective is crucial for using such information in control applications. Currently, these values are difficult to measure, and the adopted estimates are not sufficiently precise and robust to handle dynamic situations characterized by strong variations in solar energy, as described in this work. In the context of implementing a CSP plant with a solar tower, the sun’s rays are reflected and concentrated by mirrors onto the receiver, where energy transfer occurs between the exterior (solar energy) and the interior (thermal energy) using a heat transfer fluid. Therefore, it is vital to maintain the temperature of the heat transfer fluid at the system outlet close to the nominal temperature in order to optimize energy production and prevent damage to the tube materials exposed to otherwise severe thermal stresses. Given the nature of the process, characterized by a non-minimum phase relationship between outlet temperature and incoming fluid flow rate, the state-of-the-art controller is unable to effectively handle intense and spatially defined variations. To address the estimation of such disturbances, we will adopt the innovative approach of "Twin-in-the-Loop estimation," which involves closing the loop around the digital twin (DT) of the system in question. This will allow us to reconstruct the disturbance signals— the thermal flux map—that act on the receiver, based on the temperature difference between the simulated system and the real system. The calibration of such estimator will be conducted using Bayesian optimization techniques.

La presente tesi si propone di affrontare una delle sfide principali nel contesto del controllo degli impianti solari a energia concentrata (CSP): ottenere valori affidabili delle mappe di flusso termico, considerate come disturbi, sul ricevitore, in situazioni di variazioni dinamiche dovute a transitori nuvolosi spazialmente definiti. Tale obiettivo è cruciale per poter utilizzare tali informazioni in applicazioni di controllo. Attualmente, tali valori risultano difficilmente misurabili e le stime adottate non sono sufficientemente precise e robuste per affrontare situazioni dinamiche caratterizzate da forti variazioni di energia solare, come descritto nel presente lavoro. Nel contesto della realizzazione di un impianto CSP a torre solare, i raggi del sole vengono riflessi e concentrati tramite specchi sul ricevitore, dove avviene il trasferimento di energia tra l’esterno (energia solare) e l’interno (energia termica) grazie all’utilizzo di un fluido termovettore. Pertanto, risulta di vitale importanza mantenere la temperatura del fluido termovettore all’uscita del sistema vicina a quella nominale al fine di ottimizzare la produzione di energia ed evitare danneggiamenti ai materiali dei tubi esposti altrimenti a forti stress termici. Data la natura del processo, caratterizzato da una fase non-minima tra la temperatura in uscita e la portata del fluido in ingresso, il controllore allo stato dell’arte non è in grado di gestire efficacemente variazioni intense e spazialmente definite. Per affrontare la stima di tali disturbi, si adotterà l’innovativo approccio del "Twin-inthe- Loop estimation", che consiste nel chiudere all’interno del loop il "digital twin" (DT) del sistema in questione. Questo permetterà di ricostruire i segnali di disturbo - la mappa di flusso termico - che agiscono sul ricevitore, a partire dalla differenza di temperatura tra il sistema simulato e il sistema reale. La calibrazione di tale stimatore sarà condotta mediante tecniche di ottimizzazione bayesiana.