Operation and maintenance planning of concentrated solar thermal tower plants : soiling mitigation and receiver control

Concentrated solar power (CSP) is a promising technology that can be used to harness and store dispatchable thermal power. Yet, CSP has a high cost of electricity, due partly to its high operation and maintenance (O&M). One of the key cost drivers for CSP O&M is the soiling of the heliostats in the solar field, where accumulated dust diminishes the field reflectance and thus overall productivity of the plant. While this loss can be mostly recovered via cleaning operations, the trucks, personnel, and resource use (e.g. water) is considerable and must be carefully balanced against productivity gains. Yet, tools for modelling and implementing this balance are either lacking or incomplete. Existing soiling models omit key phenomena (e.g. moisture effects on soil deposition / adhesion) and cleaning optimisation studies assume that artificial cleaning reflectance recovery is perfect and neglect the possibility of mixing cleaning technologies to further reduce overall costs. Additionally, operation of receiver controller pumps is critical for plant performance and life-time assessments of receivers. Therefore, the aim of this thesis was to develop methods to characterise soiling processes and optimise the cleaning resources for real CSP sites. In particular, the research develops an understanding of the effects of moisture on the soiling process, characterises the (likely imperfect) removal of soil via artificial cleaning, refined geometric models for reflectance loss due to soil, and exploited these advances to developing a cleaning optimisation methodology for various CSP operating case scenarios early on in the design life of a prospective Australian CSP site. Moreover, a receiver controller performance metric has been tested to assess the overall impact of control structures on receiver creep-fatigue life-timing. The developed tools and analysis have been employed to reduce O&M costs for solar tower technologies and improve the performance of solar tower technologies.

L'energia solare a concentrazione (CSP) è una tecnologia promettente che può essere utilizzata per sfruttare e immagazzinare energia termica dispacciabile. Tuttavia, il CSP comporta alti costi per il funzionamento e la manutenzione (O&M). Uno dei principali fattori di costo per l'O&M del CSP è la sporcizia che si deposita sugli eliostati, dove la polvere accumulata diminuisce la riflettanza del campo e quindi la produttività complessiva dell'impianto. Sebbene questa perdita possa essere in gran parte recuperata attraverso operazioni di pulizia, il costo degli automezzi, del personale e delle risorse necessarie (ad es. l'acqua) è considerevole e deve essere attentamente bilanciato rispetto alla produttività guadagnata. Tuttavia, gli strumenti sviluppati modello e implementare questo equilibrio sono carenti o incompleti. I modelli di sporcamento esistenti omettono fenomeni chiave (ad es. gli effetti dell'umidità sulla deposizione/adesione dello sporco) e gli studi sull’ottimizzazione della pulizia presuppongono che il recupero della riflettanza (dovuto alla pulizia artificiale) sia perfetto, e trascurano la possibilità di unire le tecnologie di pulizia per ridurre ulteriormente i costi complessivi. Inoltre, il funzionamento delle pompe di controllo dei ricevitori è fondamentale per le prestazioni dell'impianto e per la stima della loro durata. Pertanto, l'obiettivo di questa tesi è stato quello di sviluppare metodi per descrivere i processi di sporcizia e ottimizzare le risorse di pulizia per i siti CSP reali. In particolare, si è voluto sviluppare una comprensione degli effetti dell'umidità sul processo di sporcizia, definire una procedura per la rimozione (probabilmente imperfetta) dello sporco attraverso la pulizia artificiale, e perfezionare i modelli geometrici per la perdita di riflettanza dovuta allo sporco. Questi processi sono stati utilizzati per sviluppare una metodologia di ottimizzazione della pulizia per vari scenari operativi CSP all'inizio della vita di progettazione di un sito CSP australiano. Inoltre, è stata testata una metrica delle prestazioni del controllore del ricevitore per valutare l'impatto complessivo delle strutture di controllo dovute alla fatica da creep nel lifetime. Gli strumenti e l'analisi sviluppati sono stati utilizzati per ridurre i costi di O&M delle tecnologie a torre solare e migliorarne le prestazioni.