Direct disturbance compensation in CSP plants under time-varying spatial flux distributions

The main objective of control systems for Concentrated Solar Power (CSP) tower receivers is to limit the working fluid temperature variations, especially at the receiver outlet, to limit thermal stresses in the receiver tubes. This task is really challenging considering the severe disturbances to which this system is exposed. In fact, the thermal power supplied to the receiver by the solar field can be subject to abrupt variations due to cloud passages, originating strong nonlinear and non-minimum-phase phenomena. This thesis investigates the adverse dynamics of a molten-salt receiver model under structured and realistic thermal flux disturbances. It then proposes a framework to characterize the closed-loop performance limits and to identify design options that can enhance the performance of the current technologies. First, the dynamic behavior of a reduced 1-D two-panel receiver is analyzed through dynamic simulation in the Modelica environment for open- and closed-loop scenarios. Linearizations around several operating points reveal significant variation in stability margins, while open‐loop simulations confirmed non-minimum-phase phenomena that limit the achievable performance. Then, resorting to a framework capable of translating Modelica models into Pyomo optimization models, open-loop optimization problems are formulated to show how spatial disturbance profiles impact control capabilities. For a 1-D seven-panel case representing a realistic receiver geometry, real-world cloud profiles are applied to evaluate tracking accuracy, control effort, and delay sensitivity, considering different objective function formulations. The results are compared against conventional control laws from the literature and are validated using an accurate Modelica 2D model. The resulting framework maps best-achievable closed-loop properties as functions of operating conditions, highlights the importance of control-oriented plant design, and provides a foundation for future implementation of model predictive control in CSP tower systems.

L'obiettivo principale dei sistemi di controllo dei ricevitori a torre per il Concentrated Solar Power (CSP) è quello di limitare le variazioni di temperatura del fluido di lavoro, soprattutto all'uscita del ricevitore, per limitare gli stress termici nei tubi del ricevitore. Questo compito risulta impegnativo se si considerano le forti perturbazioni a cui questo sistema è esposto. Infatti, la potenza termica fornita al ricevitore dal campo solare può essere soggetta a brusche variazioni dovute al passaggio delle nuvole, dando origine a forti fenomeni non lineari e a fase non minima. Questa tesi studia il comportamento dinamico di un modello di ricevitore a sale fuso sotto disturbi strutturati e realistici del flusso termico. Propone quindi un framework per caratterizzare i limiti delle prestazioni ad anello chiuso e per identificare le opzioni di progettazione che possono migliorare le prestazioni delle tecnologie attuali. In primo luogo, il comportamento dinamico di un modello ridotto 1-D di ricevitore a due pannelli e’ analizzato attraverso una simulazione dinamica nell’ambiente Modelica in scenari ad anello aperto e chiuso. Le linearizzazioni intorno a diversi punti operativi rivelano una variazione significativa dei margini di stabilità, mentre le simulazioni ad anello aperto mostrano fenomeni a fase non minima che limitano le prestazioni ottenibili. Ricorrendo, quindi, a un framework in grado di tradurre i modelli Modelica in modelli di ottimizzazione Pyomo, sono formulati problemi di ottimizzazione ad anello aperto per mostrare come i profili di disturbo spaziale influenzino la controllabilita’ del sistema. Per un caso 1-D a sette pannelli, che rappresenta una geometria realistica del ricevitore, sono applicati profili reali di nuvole per valutare l'accuratezza del tracking, l’effort di controllo e la sensibilità al ritardo, considerando diverse formulazioni della funzione obiettivo. I risultati sono confrontati con le leggi di controllo convenzionali della letteratura e sono convalidati utilizzando un modello Modelica 2D accurato. Il framework proposto illustra le performance limite raggiungibili tramite anello chiuso in funzione delle condizioni operative, evidenzia l'importanza di una progettazione dell'impianto orientata al controllo e fornisce una base per la futura implementazione di controllori basati su tecniche di model predictive control nei sistemi a torre CSP.