Optimization of modular CSP plant layouts

This thesis presents a comparison of different layouts for modular Concentrated Solar Power (CSP) tower plants, based on input parameters derived from the Vast Solar modular CSP plant, in Australia. The analysis begins with the implementation of a layout that closely replicates the Vast Solar configuration, serving as the baseline case. Subsequently, alternative heliostat configurations (Aligned and Staggered arrangements) and simulation methods (fixed number of heliostats and fixed thermal power to HTF) were investigated. The resulting four analyzed cases are defined by two layout parameters that adjust heliostat spacing and arrangement. An optical-thermal analysis was conducted for all cases, varying the layout parameters to identify the optimal configuration for each. These analyses were performed at both the design point and on an annual basis. The Staggered layout with a constant number of heliostats emerged as the best configuration, achieving the highest optical-thermal performances and the highest thermal power density. Following this, an analysis of the receiver size was conducted to improve the thermal efficiency of each layout. The results indicated that the Vast Solar receiver is oversized for all the cases considered. Finally, a Levelized Cost of Heat (LCOH) analysis was performed to provide an economic perspective related to varying receiver sizes. The Staggered layout with a constant number of heliostats achieved the lowest LCOH, with a 50% reduction in the input receiver area, and still demonstrated the most efficient land use among all the configurations analyzed.

Questa tesi presenta un confronto tra diversi layout per impianti modulari CSP a torre, basato sui parametri di input derivati dall’impianto modulare CSP di Vast Solar, situato in Australia. L’analisi inizia con l’implementazione di un layout che replica la configurazione di Vast Solar, utilizzato come caso di riferimento. Successivamente, sono state esplorate configurazioni alternative degli eliostati (disposizioni Allineate e Sfalsate) e metodi di simulazione (numero fisso di eliostati e potenza termica fissa). I quattro casi analizzati sono definiti da due parametri di layout che regolano la distanza e la disposizione degli eliostati. È stata condotta un’analisi ottico-termica per tutti i casi, variando i parametri di layout per identificare la configurazione ottimale per ciascuno. Queste analisi sono state effettuate sia su base nominale che su base annuale. Il layout Sfalsato con un numero fisso di eliostati è emerso come la configurazione con le migliori prestazioni, ottenendo anche la massima densità di potenza termica. Successivamente, è stata condotta un’analisi delle dimensioni del ricevitore per migliorare l’efficienza termica di ogni layout. I risultati hanno indicato che il ricevitore di Vast Solar è sovradimensionato per tutti i casi considerati. Infine, è stata eseguita un’analisi del Costo Livellato del Calore (LCOH) per fornire una prospettiva economica legata alla variazione delle dimensioni del ricevitore. Il layout Sfalsato con un numero fisso di eliostati ha raggiunto il più basso LCOH, con una riduzione del 50% nell’area del ricevitore di input, dimostrando anche il miglior utilizzo del terreno tra tutte le configurazioni analizzate.