Modeling on/off-design performance of solar tower plants

Nowadays, solar tower and parabolic trough power plants represent one of the most interesting opportunities in the field of energy production through renewable sources. At present, the total power installed in the world is in the order of 550 MW with less than 10% based on the tower scheme and other 10000 MW are already under construction or announced. However, despite these announces, performance prediction of this kind of plants is still difficult, mainly due to the uncertainties on solar field whose description is often only experimental. Most of the models available nowadays employ a very general description, aimed at analyzing the plant economic feasibility but, in the main, neglecting a detailed thermodynamic modeling of plant components. It is worth noting that, due to the random and somewhat unpredictable nature of the primary energy source exploited by the power plant, these facilities are subjected to extremely variable working conditions. For these reasons, a model for the prediction of solar plant energy balances and performances for different ambient conditions and solar radiations is developed with the aim to better understand the plant behavior, improve performances and optimize the plant working conditions. An on-design analysis is necessary to define the best plant configuration, while off-design simulation, that illustrates the system response to radiation conditions other than nominal, can help system management maybe anticipating external condition variation. The developed model demonstrates its functionality during the design process in three ways. On one hand it allows to calculate and optimize the performance of the plant at rated conditions, developing a sensitivity analysis of the parameters involved. On the other hand, various off-design conditions can be studied and, consequently, it would be possible to carry out a long term –for instance yearly- thermodynamic and, in the future, economical analysis. Finally, it allows detecting undesirable operating conditions of one or more components that could eventually lead to a not admissible operation of the plant: for example a too high vapor fraction in the steam generator, a too low deaerator pressure, cavitation of pumps or other situations that are not appropriate for the steam turbine. The code is implemented in Matlab and incorporates two sub-models that describe the power block and the solar receiver, while the solar field has not been developed because a reliable representation of the radiation distribution on the receiver/steam generator is taken from available data corresponding to the PS10 plant. The model performs initially an on-design analysis, based on input specifications defined by the user like rated output or live steam and condensing pressures, and more specific parameters regarding either power block or boiler as turbine efficiency or piping size, which can be set according to default values or modified voluntarily. The result is summarized by the heat and mass balance of both power block and steam generator at rated operation, together with a preliminary sizing of the boiler. Then, the off-design analysis is carried out focusing on thermal input variations at the tower, which is in practice introduced by a modified radiation map on the panels of the steam generator. New, stable working conditions are calculated depending on the heat input and on the sliding pressure operation of the turbine at off-design.

Al giorno d’oggi le centrali solari a concentrazione con tecnologia a torre e a cilindro parabolico rappresentano una delle opportunità più interessanti nel campo della produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile. Attualmente la potenza totale installata nel mondo è nell’ordine dei 550 MW, con meno del 10% basato sullo schema a torre, ma altri 10000 MW sono in costruzione o annunciati. Nonostante queste forti prospettive di sviluppo, prevedere le prestazioni di questo tipo di impianti è ancora difficile, soprattutto a causa delle incertezze legate al campo solare, la cui descrizione è spesso solamente sperimentale. La maggior parte dei modelli attualmente disponibili utilizza un approccio molto generale, mirando ad analizzare la fattibilità economica dell’impianto e, in genere, trascurando una dettagliata modellazione termodinamica dei componenti. È importante ricordare che, a causa della intrinseca irregolarità e in un certo senso imprevedibilità della fonte primaria sfruttata da questo tipo di centrale, gli impianti sono soggetti a condizioni di lavoro estremamente variabili. Per questa ragione è stato sviluppato un modello per la previsione dei bilanci energetici e delle prestazioni di centrali solari in diverse condizioni ambientali e di radiazione solare, con l’obiettivo di comprendere meglio il comportamento degli impianti, di migliorare le loro prestazioni e di ottimizzare le loro condizioni operative. Un’analisi delle condizioni nominali (on-design) è necessaria per definire la miglior configurazione dell’impianto, mentre una simulazione di condizioni a carico parziale (off-design), che illustri la risposta del sistema di fronte a valori di radiazione solare diversi da quelli di progetto, può aiutare nella gestione del sistema, eventualmente anticipando le variazioni delle condizioni esterne. Il modello sviluppato dimostra la sua funzionalità in fase di progetto in tre modi differenti. Da una parte permette di calcolare e ottimizzare le prestazioni dell’impianto in condizioni nominali, sviluppando un’analisi di sensitività dei parametri coinvolti. Dall’altra parte, varie condizioni di fuori progetto possono essere studiate e, pertanto, è possibile portare avanti un’analisi di lungo termine, ad esempio annuale, di tipo termodinamico e, in futuro, di tipo economico. Infine, permette l’identificazione di condizioni operative indesiderate di uno o più componenti che possano pregiudicare il corretto funzionamento dell’impianto, quali ad esempio una frazione troppo alta di vapore nel generatore di vapore, una pressione troppo bassa nel degasatore, la cavitazione delle pompe o altre situazioni inappropriate per la turbina a vapore. Il codice è implementato in Matlab e incorpora due sotto-modelli che descrivono il blocco di potenza ed il ricevitore solare; un modello del campo solare non è stato sviluppato in quanto una rappresentazione veritiera della distribuzione della radiazione sul ricevitore/generatore di vapore è ottenuta attraverso l’utilizzo di dati reali corrispondenti al funzionamento della centrale PS10. Il modello esegue inizialmente un’analisi di on-design, basata sull’utilizzo di alcuni parametri di input definiti dall’utente, quali la potenza in uscita o la pressione del vapor vivo e di condensazione, e di altri parametri più specifici riguardanti sia il blocco di potenza che il ricevitore, quali l’efficienza della turbina o le dimensioni delle tubature, che possono essere impostati con dei valori di default o modificati in base alle necessità Il risultato è riassumibile in un bilancio termico e di massa sia del blocco di potenza che del generatore di vapore in condizioni nominali, cui si aggiunge un dimensionamento preliminare del ricevitore. In seguito, l’analisi di off-design è portata avanti concentrandosi sulle variazioni di input termico sulla torre, che sono sostanzialmente rappresentate grazie all’introduzione di mappe di radiazione modificate sui pannelli del generatore di vapore. Le nuove condizioni di funzionamento sono calcolate in funzione dell’input termico e delle condizioni di lavoro a carico parziale, in modalità sliding-pressure, della turbina. Per permettere un’opportuna descrizione del lavoro svolto e dei risultati ottenuti, il presente documento è stato suddiviso in nove capitoli. Il primo capitolo presenta una descrizione generale dello stato dell’arte nel campo dello sfruttamento a scopi energetici della radiazione solare, concentrandosi in particolare sulla tecnologia a concentrazione e sulle sue prospettive di sviluppo. Successivamente, nel secondo capitolo si riportano i principi guida e gli strumenti principali utilizzati nella generazione del codice di calcolo, mentre i capitoli 3 e 4 affrontano la descrizione dettagliata dei due componenti più caratteristici della tipologia di impianto studiato: il campo solare a specchi ed il ricevitore centrale. La spiegazione dettagliata del codice di calcolo appositamente sviluppato per la descrizione del suddetto ricevitore è quindi riportata nel capitolo 5. Il capitolo successivo analizza invece le caratteristiche principali del blocco di potenza e l’approccio utilizzato per la descrizione del suo comportamento in condizioni di progetto. I risultati della modellazione dell’intero impianto in condizioni di on-design e dell’analisi parametrica su diverse variabili sono riportati nel capitolo 7. I capitoli 8 e 9, infine, riportano la descrizione del modello sviluppato per simulare le condizioni di off-design e i risultati delle simulazioni stesse. Un’analisi su diverse strategie di regolazione delle stazioni di pompaggio e del condensatore è inclusa nella stessa sezione.