Linear Fresnel reflectors : study of the technology and steps toward optimization

The work focuses on Linear Fresnel Reflectors (LFR) as an innovative solution for Levelized Cost of Electricity (LCOE) reduction in Concentrating Solar Power (CSP) plants. The study purpose is the definition of an effective and efficient procedure to optimize the design of a LFR: a set of calculation tools was developed to model the different aspects of a CSP plant using LFR: i) an optical model based on ray-tracing and a novel and efficient methodology for the yearly optical efficiency calculation, ii) a thermal model to define the thermal losses of the absorber tube iii) a piping model for the sizing of the solar field and an iv) economic model based on the geometrical characteristics of the collector to determine a collector cost. A simplified analysis is proposed and the minimization of the Levelized Cost of Thermal Energy (LCoTE) is set as objective: the collector with the minimum LCoTE is the collector that optimizes, for a chosen location, the yearly harvest of thermal energy with the minimum investment cost. In order to reduce the number of optimization parameters, only molten salts as heat transfer fluid was considered, while the storage system and the power block were not taken into account. The single models results were compared against real data showing good agreement. All the models were assembled together to determine the dependence of the LCoTE from the different geometric parameters of the collector. The model assembly and the developed methodology can be used as a tool for optimization purposes and can thus be coupled with proper optimization algorithms.

I collettori lineari Fresnel (LFR) sono studiati come possibile tecnologia per la riduzione dei costi di produzione di energia elettrica da fonte solare termodinamica. Scopo dello studio è la definizione di una metodologia efficace e affidabile per l’ottimizzazione di un collettore Fresnel: i differenti aspetti della conversione energetica da energia solare a termica sono studiati attraverso lo sviluppo di opportuni strumenti di calcolo: i) è stato sviluppato un modello ottico del collettore con un software di ray-tracing ed è proposta una nuova metodologia per il calcolo dell’efficienza ottica annuale, ii) è stato implementato un modello termico del tubo assorbitore, iii) è stato sviluppato un modello per il dimensionamento del campo solare ed infine iv) è proposto un modello per il calcolo del costo del collettore. Un’analisi semplificata propone come funzione obbiettivo per l’ottimizzazione del collettore il costo dell’energia termica annuale prodotta (Levelized Cost of Thermal Energy): il collettore migliore è quello che garantisce la massima raccolta di energia termica con il minimo costo d’investimento. I modelli sono sviluppati in particolare per un collettore che utilizza i sali fusi come fluido termovettore. I risultati dei singoli modelli sono stati confrontati con i dati disponibili in letteratura dimostrandosi affidabili. I vari modelli sono assemblati per poter determinare il costo finale dell’energia termica prodotta al variare dei parametri geometrici del collettore. L’insieme dei modelli è costruito in maniera tale da poter essere integrato con software di ottimizzazione.