Software analysis and development for aiming strategies optimization in solar tower power plants

The presented work has the objective of studying and comparing different aiming strategies for the heliostats of concentrating solar thermodynamic plants with central receiver (Solar Towers). To achieve this objective it resulted necessary the adaptation of software for performance simulation of those plants. The strategies optimization is performed by confronting the results of the different aiming from the basic situation, for two existing commercial plants. The software chosen for the assessments is Delsol3, developed by Sandia National Laboratories, and it required the creation of an operational user interface (first in Microsoft Excel, through Visual Basic for Applications programming language, then in Matlab) and of a tool for the aiming strategies definition. These aiming strategies consists in setting corrections to the aiming of the heliostats composing the solar field so that the reflected radiation is not directed anymore only to the receiver center. The obtained result are strong reductions of the peak values and of the gradients of the incident thermal fluxes, without an increase of the “spillage” energy losses (failed interception of the radiation by the receiver) higher than 1%. Consequences are the potential reduction of investment and maintenance costs for the receivers (which are strongly incident on the total plant costs, around 15%) due to thermal stresses reductions and the diminution of convective and radiative thermal losses due to temperatures lowering. The analysis was extended to three hours during three characteristic days of the year, to take into account the influence of sun angles variation on the results. The outcome showed the same trend, suggesting a general validity of the studied strategies and a possible implementation in the plants they were developed for. The dissertation eventually suggests possible uses of the developed software tools for future assessments of other fundamental aspects for the operation of Solar Tower power plants, such as transients fluxes due to cloud passing over the mirror field and aiming strategies to contrast them.

Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo lo studio e confronto di diverse strategie di puntamento degli eliostati in impianti solari termodinamici a concentrazione a ricevitore centrale (Solare a Torre). Per raggiungere questo obiettivo è stato necessario l’adattamento di software di simulazione delle prestazioni di tali impianti. L’ottimizzazione delle strategie è effettuata attraverso il confronto dei risultati del diverso puntamento con la configurazione di base, per due impianti commerciali esistenti. Il software scelto per le analisi è Delsol3, sviluppato da Sandia National Laboratories, per il quale è stato necessaria la creazione di una interfaccia utente funzionale (dapprima in Microsoft Excel, attraverso il linguaggio di programmazione Visual Basic for Applications, in seguito in Matlab) e di uno strumento per la definizione delle strategie di puntamento. Queste ultime consistono nell’impostazione di correzioni al puntamento degli eliostati che compongono il campo solare in modo che la radiazione riflessa sul ricevitore non sia più diretta solo al centro del ricevitore stesso. Il risultato ottenuto sono forti riduzioni dei valori di picco e dei gradienti del flusso termico incidente senza che l’incremento delle perdite di energia per “spillage” (mancata intercettazione della radiazione da parte del ricevitore) superasse il punto percentuale. Le conseguenze sono potenziali riduzioni dei costi di investimento e di manutenzione per i ricevitori degli impianti (componenti con forte incidenza sui costi totali, circa il 15%) legate alla riduzione degli stress termici e riduzioni delle perdite termiche convettive e radiative per l’abbassamento delle temperature. L’analisi è stata estesa a tre ore per tre giorni caratteristici dell’anno per valutare l’influenza degli angoli solari sui risultati. I risultati hanno mostrato il medesimo andamento, suggerendo una validità generale delle strategie studiate ed una possibile implementazione negli impianti per cui sono state sviluppate. La trattazione infine propone possibili usi degli strumenti software sviluppati per future analisi di altri aspetti fondamentali nella gestione degli impianti Solari a Torre, come i transitori dovuti al passaggio di nuvole sul campo di specchi e strategie di puntamento per contrastarli.