Preliminary solar field design accounting for heliostat field status and aiming strategies in solar tower plants

Solar Tower power plants face significant challenges to ensure their worldwide deployment, including heliostat soiling leading to optical efficiency degradation and increased operation and maintenance costs due to cleaning operations. Additionally, optimizing the thermal power output of the receiver is crucial and depends on the selected aiming strategy, directly affecting receiver thermal efficiency and operational lifetime. To tackle these issues, this research proposes a methodology for the preliminary design of Solar Tower power plants' solar fields. This methodology integrates a physical model to simulate soiling losses and optimizes cleaning schedules using a fixed-frequency time-based heuristic method. After selecting the desired aiming strategy, SolarPILOT is utilized alongside a heuristic defocusing and re-focusing strategy to simulate plant performance. Moreover, drivers failure analysis is considered for improved accuracy. Applied to Solar Tower facilities in Mount Isa, Queensland, Australia, the methodology analyzes various solar field sizes to identify the configuration with the lowest Levelized Cost of Electricity. Results show that oversizing the solar field by five times and coupling it with a 6.5-hours Thermal Energy Storage system is optimal for turbine full-load operation, while oversizing by four times and coupling with an 11.5-hours storage system is optimal for load-based operation. A sensitivity analysis on heliostat pricing reveals a drop in field oversizing by one size when the price doubles, regardless of dispatching strategies and field cleaning conditions. In conclusion, this research contributes to the development of a comprehensive sizing methodology for Solar Tower power plants, integrating soiling and aiming strategies and highlighting the impact of heliostat pricing and dispatching strategies on plant performance and economics.

Affinché gli impianti solari termici a torre vengano adottati su scala globale, alcune problematiche fondamentali dovranno essere affrontate, tra cui lo sporcamento degli eliostati. Questo fenomeno comporta perdite di efficienza ottica e costi di gestione e manutenzione aggiuntivi dovuti alla necessaria pulizia degli specchi. Altra sfida importante è la massimizzazione della potenza termica prodotta dal ricevitore, che dipende dalla strategia di mira selezionata, che a sua volta infleunza l'efficienza termica e la vita utile del ricevitore stesso. In questo contesto, la presente ricerca propone una metodologia per ottimizzare il design preliminare del campo solare degli impianti solari a torre. Tale approccio integra un modello fisico per simulare le perdite dovute allo sporcamento degli eliostati e ottimizza la strategia di pulizia attraverso un metodo euristico tempo-basato e con frequenza fissata. Inoltre, viene introdotta un'analisi relativa ai possibili guasti degli eliostati. Questa metodologia viene applicata all'impianto solare termico di Mount Isa, in Queensland, Australia. Sono prese in considerazione diverse dimensioni del campo solare al fine di identificare la configurazione con il minor Levelized Cost of Electrcity. I risultati indicano che un sovradimensionamento del campo solare di cinque volte, accoppiato a uno storage termico di 6.5 ore, è la soluzione ottimale quando la turbina viene operata a potenza nominale. Un sovradimensionamento di quattro volte, invece, accoppiato a uno storage termico di 11.5 ore, è la soluzione migliore quando la turbina è destinata a seguire una curva di carico predefinita. Un'analisi di sensitività sul prezzo degli eliostati mostra che le dimensioni ottimali del campo si riducono di una taglia quando i prezzi raddoppiano, indipendentemente dalla strategia operativa della turbina. In conclusione, la ricerca proposta contribuisce allo sviluppo di una metodologia comprensiva per il dimensionamento del campo solare degli impianti a torre solare, integrando strategie di mira e considerazioni sullo sporcamento degli eliostati, e sottolineando l'influenza delle strategie di dispacciamento e del prezzo degli eliostati sull'economia e perfromance dell'impianto.