Mathematical Modeling of the Parabolic Trough Collector Field of the TCP-100 Research Plant

The 9th EUROSIM Congress on Modelling and Simulation, EUROSIM 2016 Oulu (Finlandia)There are two main drawbacks when operating solar energy systems: a) the resulting energy costs are not yet competitive and b) solar energy is not always available when needed. In order to improve the overall solar plants efficiency, advances control techniques play an important role. In order to develop efficient and robust control techniques, the use of accurate mathematical models is crucial. In this paper, the mathematical modeling of the new TCP100 parabolic trough collector (PTC) research facility at the Plataforma Solar de Almería is presented. Some simulations are shown to demonstrate the adequate behavior of the model compared to the facility design conditions.Junta de Andalucía P11-TEP-8129Unión Europea FP7-ICT-ICT-2013.3.4-611281Ministerio de Economía y Competitividadt DPI2014-56364-C2-2-

Mathematical Modeling of the Mojave Solar Plants

Competitiveness of solar energy is one of current main research topics. Overall efficiency of solar plants can be improved by using advanced control strategies. To design and tuning properly advanced control strategies, a mathematical model of the plant is needed. The model has to fulfill two important points: (1) It has to reproduce accurately the dynamics of the real system; and (2) since the model is used to test advanced control strategies, its computational burden has to be as low as possible. This trade-off is essential to optimize the tuning process of the controller and minimize the commissioning time. In this paper, the modeling of the large-scale commercial solar trough plants Mojave Beta and Mojave Alpha is presented. These two models were used to test advanced control strategies to operate the plants.Comisión Europea OCONTSOLAR 78905

Comparison of linear and point focus collectors in solar power plants

AbstractSolar tower based plants are seen as a promising technology to reduce the cost of electricity from solar radiation. This paper assesses the design and overall yearly performances of two different solar tower concepts featuring two commercial plants running in Spain. The first plant investigated is based on Direct Steam Generation and a cavity receiver (PS-10 type). The second plant considers an external cylindrical receiver with molten salts as heat transfer fluid and storage system (Gemasolar type). About the optical assessment performed with DELSOL3, a calibration of heliostat aim points was performed to match available flux maps on the receiver. Moving to results, the PS-10 type has higher optical performances both nominal design and yearly average. This is due both to the field size and orientation which guarantee a higher efficiency and to the receiver concept itself. About power production, the molten salts allow higher temperature and consequently conversion efficiency than PS-10. The solar-to-electricity efficiency is equal to 18.7% vs. 16.4% of DSG cavity plant. The obtained results are strictly related to the set of assumptions made on each plant component: when available real plant data where used. The two solar tower plants results were also compared to corresponding commercial linear focus plants featuring the same power block concept. Gemasolar type shows a higher solar-to-electricity efficiency compared to a parabolic trough plant with storage (18.7% vs. 15.4%) because of the higher maximum temperatures and, consequently, power block efficiency. PS-10 is better than a linear Fresnel DSG (16.4% vs. 10.4%) because of the higher optical performances

Object-oriented modeling for the transient performance simulation of solar thermal power plants using parabolic trough collectors: a review and proposal of modeling approaches for thermal energy storage

La intención de este trabajo es extender las técnicas actuales de modelización del almacenamiento térmico activo directo y activo indirecto, con dos tanques y sales fundidas como medio de almacenamiento. Con el objetivo de conseguir aumentar el conocimiento sobre su comportamiento térmico y los aspectos operacionales, los modelos desarrollados deben permitir la evaluación del sistema de almacenamiento térmico en condiciones transitorias. Así, la parte principal de este trabajo (la Parte II) se centra en la modelización y evaluación del comportamiento de los intercambiadores de calor para la tecnología de almacenamiento térmico activo indirecto, que emplea sales fundidas (60% en peso de nitrato sódico, NaNO3, y 40% en peso de nitrato potásico, KNO3) como medio de almacenamiento y aceite térmico (una mezcla de difenilo, C12H10, y oxido de difenilo, C12H10O) como fluido caloportador. Asumiendo un diseño de intercambiador de calor del tipo carcasa y tubos, el comportamiento del proceso de intercambio de calor entre el medio de almacenamiento y el fluido caloportador se analiza en detalle, considerando condiciones de operación estacionarias y transitorias bajo cargas nominales y parciales. El modelo estacionario proporciona información útil sobre el coeficiente global de transmisión de calor y los rangos de variación de pérdidas de carga para dos configuraciones de intercambiadores de calor específicas. Se demuestra que la configuración de dos intercambiadores en paralelo supera a la configuración convencional de un único intercambiador en funcionamiento. Por otro lado, la evaluación del modelo transitorio suministra paráametros típicos del proceso como la ganancia, el tiempo muerto y la constante del tiempo para el modo de carga y descarga, en condiciones nominales y parciales. Además, se ha obtenido un modelo transitorio del tanque de almacenamiento a alta temperatura razonablemente simple, el cual es muy adecuado para simulaciones del comportamiento de centrales CSP en su conjunto. En el estudio se ha demostrado que las pérdidas térmicas por convección natural en la atmosfera de gas encima de la superficie libre de las sales fundidas se pueden omitir en el modelo, causando errores despreciables. También, se pueden asumir coeficientes de convección constantes entre la superficie de las paredes del tanque y las sales fundidas. Sin embargo, la transmisión de calor por radiación entre la superficie libre de las sales fundidas y las paredes interiores del tanque, que no están en contacto con las sales, deben de ser consideradas, dada su importante influencia en las pérdidas totales. Además, debido al modelado de la trasmisión de calor por las paredes del tanque en modo transitorio y al cálculo preciso de la temperatura de la superficie exterior, la influencia que las condiciones de contorno ambientales tienen sobre las pérdidas de calor, pueden ser caracterizadas de manera mucho más adecuada que mediante métodos cuasi-estacionarios, que solo tienen en cuenta la temperatura ambiente. Finalmente, la Parte III trata de la aplicación de los modelos desarrollados para los componentes del almacenamiento térmico, a un modelo exhaustivo y completo de una central de captadores cilindro-parabólicos a nivel global. De este modo se simula, no solo el comportamiento del sistema de almacenamiento térmico activo indirecto, sino también las respuestas de la central solar térmica al completo, debido a los cambios en las condiciones de contorno ambientales. Se observa que la inercia térmica del sistema de almacenamiento activo indirecto es muy considerable, influyendo de manera notable en los rápidos cambios de carga necesarios para capturar la mayor cantidad posible de la energía solar disponible, y para alimentar el bloque de potencia con una potencia térmica constante, independientemente de la actual radiación solar. Por último pero no menos importante, los modelos presentados han sido desarrollados de manera flexible, bien estructurada y con una programación orientada a objetos, particularmente dando importancia a una implementación independiente de la plataforma de simulación, hecho que ha sido llevado a cabo utilizando el lenguaje de modelación Modelica. Este es un lenguaje de modelizado de sistemas físicos multiobjetivo, que ha sido desarrollado en un esfuerzo internacional para unificar las técnicas de simulación ya existentes y para permitir el intercambio fácil de los modelos y librerías de modelos que se desarrollen. El concepto de Modelica se basa en modelos no causales que utilizan ecuaciones diferenciales ordinarias y algebraicas.This work's intention is to extend the current state-of-the-art regarding the modeling of the active direct and the active indirect two-tank moltensalt- based thermal energy storage (TES) concept. The aim is to widen the knowledge about their thermal behavior and operational aspects. In particular, the developed models shall enable the evaluation of the storage system's transient behavior. Thus, the main part of this work (Part II) focuses on the modeling and the performance evaluation of oil-to-molten salt heat exchangers for the active indirect thermal energy storage technology, applying molten salt (60%, by weight, sodium nitrate, NaNO3, and 40%, by weight, potassium nitrate, KNO3) as storage medium and thermal oil (a mixture of diphenyl, C12H10, and diphenyl oxide, C12H10O) as heat transfer fluid. Assuming a shell-andtube heat exchanger design, the performance of the heat exchange process between the storage medium and the heat transfer fluid is discussed in detail, considering steady-state as well as transient operating conditions under nominal as well as partial loads. On the one hand, the steady-state model gives useful information about overall heat transfer coefficient and pressure drop ranges for two specific heat exchanger setups. In particular, it is shown that two separate heat exchanger trains in parallel exceed the conventional single train setup in performance. On the other hand, the evaluation of the transient performance model yields typical process parameters as process gain, dead time and time constant for charging as well as for discharging mode at representative heat exchanger loads. In addition to this, a reasonable simple transient high-temperature storage tank model is derived, which is well suited for CSP performance simulations on system level due to reasonable model simplifications. For example, it is found in this work that the convective heat losses via the tank's gas atmosphere (usually nitrogen at ambient pressure) above the molten salt surface can be neglected by only introducing negligible calculation errors. Also, the convective heat transfer coefficients between the molten salt and the wetted parts of the tank's inner steel jacket may be set to constant values. However, the important radiative heat transfer between the surface of the molten salt and the non-wetted parts of the tank's inner steel jacket must be considered, which is done assuming an ideal cylindrical geometry. Furthermore, due to the transient modeling of the storage tank walls and a detailed estimation of the exterior surface temperature, the influence of altering environmental boundary conditions can be captured more accurately than by quasi-steadystate methods that only account for the current ambient air temperature. Finally, Part III treats the application of the developed TES model components in a comprehensive model of a parabolic trough collector plant on system level, showing not only the behavior of a typical active indirect twotank TES system under transient operating conditions, but also the responses of the entire solar thermal power plant to changing environmental boundary conditions. It is shown that the thermal inertia of the active indirect TES concept is considerable and forms a major obstacle for rapid load changes that are crucial for capturing as much solar energy as possible, and to supply the power block with constant thermal power, independently of the current solar irradiance. Last but not least, the presented models have been developed in a flexible, well-structured and object-oriented way, particularly giving importance to a simulation-platform-independent implementation, which has been accomplished applying Modelica, a multi-purpose physical system modeling language, developed in an international effort in order to unify already existing similar modeling approaches, and to enable developed models and model libraries to be easily exchanged. Modelica's concept is based on non-causal models featuring true ordinary differential and algebraic equations.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería y Arquitectura (RD 1393/2007)Ingeniaritzako eta Arkitekturako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007

Incremental State-Space Model Predictive Control of a Fresnel Solar Collector Field

Model predictive control has been demonstrated to be one of the most efficient control techniques for solar power systems. An incremental offset-free state-space Model Predictive Controller (MPC) is developed for the Fresnel collector field located at the solar cooling plant installed on the roof of the Engineering School of Sevilla. A robust Luenberger observer is used for estimating the states of the plant which cannot be measured. The proposed strategy is tested on a nonlinear distributed parameter model of the Fresnel collector field. Its performance is compared to that obtained with a gain-scheduling generalized predictive controller. A real test carried out at the real plant is presented, showing that the proposed strategy achieves a very good performance.Comisión Europea ID 78905

Cascade solar thermal power system modeling and research of the key features.

El objetivo de esta tesis es investigar sistemas de generación eléctrica termosolar para proponer, desa-rrollar y optimizar un sistema de energía solar térmica en cascada para conseguir un mejor rendimiento de las tecnologías de generación eléctrica termosolar y explorar una nueva tecnología viable generación a gran escala. Los contenidos y conclusiones principales de la tesis son los siguientes.Se han propuesto múltiples y novedosas estructuras topológicas para diseños de cascada termosolar, combinando ciclo Stirling como ciclo de cabecera y ciclo rankine como ciclo de cola, incluso con chimenea solar. Como colectores se integran el colector cilindro parabólico, el disco parabólico y la torre central con campo de heliostatos. La topología seleccionada para el estudio consiste en un campo solar de alta tempera-tura de colectores de disco parabólico para calentar aire a alta temperatura que se utiliza como foco caliente de un motor sterling. El foco frío de dicho motor es, a su vez, y utilización en cascada de la energía termosolar un ciclo rankine que se alimenta de vapor generado con un campo solar de colectores cilindro parabólicos (media temperatura).Se establecen modelos mecanicistas para los componentes del sistema de generación solar, usando he-rramientas informáticas de cálculo matemático y desarrollo de sistemas. El proceso de modelado usa una aproximación orientada al objeto, para asegurar la independencia y relevancia de cada componente. El mo-delo del sistema tiene la ventaja de una organización pertinente, una estructura clara y fácil capacidad de mejora. Para el modelado del motor Stirling, se consideran varias irreversibilidades y pérdidas, lo que permite ve-rificar una predicción más precisa que la del modelo clásico. Se ha estudiado el efecto de diferentes disposi-ciones de motores Stirling sobre el rendimiento del sistema en cascada. De acuerdo a las características de funcionamiento del motor, se proponen 5 disposiciones básicas de una matriz de motores Stirling y se imple-mentan los correspondientes modelos de simulación. Se analizan las diferencias de funcionamiento entre los distintos conjuntos para diferentes temperaturas y capacidades térmicas de fluido de entrada y diferentes parámetros del motor Stirling. Se concluye que la conexión en serie es la mejor disposición en términos de robustez y rendimiento de la matriz de motores Stirling. Se propone un sistema de calentamiento multietapa que puede reducir efectivamente la pérdida de exer-gía del proceso de generación de vapor de agua. Durante el proceso completo de intercambio de calor en un generador de vapor de agua convencional, no hay cambio de fase en el fluido calefactor y sí en el fluido cale-factado. En los intercambiadores de calor, existen amplias diferencias de temperaturas entre ambos, lo que amplía la pérdida de exergía durante el proceso. En esta tesis, se propone un método de calentamiento por etapas, en el que los caudales másicos del fluido calefactor en diferentes intercambiadores se controlan para reducir la diferencia de temperatura y las pérdidas de exergía. Este método puede incrementar efectivamente el rendimiento térmico de campos solares.Se propone un método para evaluar el funcionamiento de sistemas de generación eléctrica termosolar en cascada. Se escogen para comparación los sistemas independientes que componen la cascada y se esta-blecen los modelos de evaluación de su funcionamiento. Los resultados de la simulación y su análisis revelan que el sistema en cascada tiene un rendimiento de conversión solar-eléctrico mayor para altas irradiaciones solares si se compara con los correspondientes sistemas independientes.Se ha construido una plataforma de ensayo de generación eléctrica termosolar y se han efectuado ensa-yos experimentales con los colectores. Los experimentos determinan la influencia de la irradiación solar nor-mal directa, caudal y temperatura de entrada del fluido de transferencia de calor. Los resultados experimen-tales validan lo establecido mediante los modelos de los colectores y de los discos<br /

Solar-thermal hybridization of AZEP

Thesis (S.B.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2012.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 43-44).Carbon Dioxide emissions from power production are believed to have significant contributions to the greenhouse effect and global warming. Alternative energy resources, such as solar radiation, may help abate emissions but suffer from high costs of power production and temporal variations. On the other hand, Carbon Capture and Sequestration allows the continued use of fossil fuels without the CO2 emissions but it comes at an energetic penalty. The Advanced Zero Emissions Plant (AZEP) minimizes this energy loss by making use of Ion Transport Membrane (ITM)-based oxy-combustion to reduce the cost of carbon dioxide separation. This work seeks to assess if there are any thermodynamic gains from hybridizing solar-thermal energy with AZEP. The particular focus is hybridizing of the bottoming cycle with supplemental solar heating. A simple model of parabolic solar trough was used to hybridize a model of the AZEP cycle in ASPEN Plus*. Two cycle configurations are studied: the first uses solar parabolic troughs to indirectly vaporize high pressure steam through Therminol and the second uses parabolic troughs to directly preheat the high pressure water stream prior to vaporization. Simulations of the solar vaporizer hybrid by varying the total area of collectors (holding fuel input constant) show an increase of net electric output from 439MW for the non-hybridized AZEP to 533MW with an input solar share of 38.8%. The incremental solar efficiency is found to be around 16% for solar shares of input ranging from 5% to 38.8%. Moreover, simulations of variable solar insolation for collector area of 550,000 m2 , show that incremental solar efficiency increased with solar insolation reaching a plateau around 17%. Simulations of the direct solar preheater, show a net electric output of 501.3 MW for a solar share of 35%, (an incremental solar efficiency of 13.73%). The power generation and hence incremental efficiency is lower than in hybridization with steam vaporization with the same input solar share. Synergy analysis for the steam vaporization hybrid indicates no thermodynamic gains from hybridization.by Ragheb Mohamad Fawaz El Khaja.S.B

Numerical Characterization of the Flow Field and Heat Transfer Inside the Receiver of a Parabolic Trough Solar Collector Carrying Supercritical Co2

The aim of this research is to provide a detailed numerical analysis of flow field and heat transfer inside the heat collecting element of a parabolic trough collector. The parabolic trough collector is used as the boiler in a direct Super Critical Carbon Dioxide (S-CO2) Brayton cycle. A single collector is modeled and analyzed with different inlet conditions. The working fluid is supercritical since its pressure is increased to above critical pressure in the compressor while its temperature reaches 300 °C after passing through the recuperators and before entering the solar field. For the first time, this research considers both the non-uniform solar radiation irradiance around the trough receiver and the natural convection inside the receiver combined with the nonlinear variations in the physical properties of S-CO2. Moreover, to investigate the variations in the outputs during a typical day a pseudo steady state scheme is applied. The changes in ambient conditions are so slow compared to the variations in the flow field that in each time step the flow filed is considered to fulfill the steady state conditions. Hence, steady state numerical analysis is repeated for five time-steps (8 AM, 10 AM, 12 PM, 2 PM and 4 PM) and the results are graphed. A curve is then fitted to the thermal efficiency graph and outlet temperature of receiver graph to let the user interpolate the middle time steps

Model Predictive Control Based on Deep Learning for Solar Parabolic-Trough Plants

En la actualidad, cada vez es mayor el interés por utilizar energías renovables, entre las que se encuentra la energía solar. Las plantas de colectores cilindro-parabólicos son un tipo de planta termosolar donde se hace incidir la radiación del Sol en unos tubos mediante el uso de unos espejos con forma de parábola. En el interior de estos tubos circula un fluido, generalmente aceite o agua, que se calienta para generar vapor y hacer girar una turbina, produciendo energía eléctrica. Uno de los métodos más utilizados para manejar estas plantas es el control predictivo basado en modelo (model predictive control, MPC), cuyo funcionamiento consiste en obtener las señales de control óptimas que se enviarán a la planta basándose en el uso de un modelo de la misma. Este método permite predecir el estado que adoptará el sistema según la estrategia de control escogida a lo largo de un horizonte de tiempo. El MPC tiene como desventaja un gran coste computacional asociado a la resolución de un problema de optimización en cada instante de muestreo. Esto dificulta su implementación en plantas comerciales y de gran tamaño, por lo que, actualmente, uno de los principales retos es la disminución de estos tiempos de cálculo, ya sea tecnológicamente o mediante el uso de técnicas subóptimas que simplifiquen el problema. En este proyecto, se propone el uso de redes neuronales que aprendan offline de la salida proporcionada por un controlador predictivo para luego poder aproximarla. Se han entrenado diferentes redes neuronales utilizando un conjunto de datos de 30 días de simulación y modificando el número de entradas. Los resultados muestran que las redes neuronales son capaces de proporcionar prácticamente la misma potencia que el MPC con variaciones más suaves de la salida y muy bajas violaciones de las restricciones, incluso disminuyendo el número de entradas. El trabajo desarrollado se ha publicado en Renewable Energy, una revista del primer cuartil en Green & sustainable science & technology y Energy and fuels.Nowadays, there is an increasing interest in using renewable energy sources, including solar energy. Parabolic trough plants are a type of solar thermal power plant in which solar radiation is reflected onto tubes with parabolic mirrors. Inside these tubes circulates a fluid, usually oil or water, which is heated to generate steam and turn a turbine to produce electricity. One of the most widely used methods to control these plants is model predictive control (MPC), which obtains the optimal control signals to send to the plant based on the use of a model. This method makes it possible to predict its future state according to the chosen control strategy over a time horizon. The MPC has the disadvantage of a significant computational cost associated with resolving an optimization problem at each sampling time. This makes it challenging to implement in commercial and large plants, so currently, one of the main challenges is to reduce these computational times, either technologically or by using suboptimal techniques that simplify the problem. This project proposes the use of neural networks that learn offline from the output provided by a predictive controller to then approximate it. Different neural networks have been trained using a 30-day simulation dataset and modifying the number of irradiance and temperature inputs. The results show that the neural networks can provide practically the same power as the MPC with smoother variations of the output and very low violations of the constraints, even when decreasing the number of inputs. The work has been published in Renewable Energy, a first quartile journal in Green & sustainable science & technology and Energy and fuels.Universidad de Sevilla. Máster en Ingeniería Industria

Dual Mode MPC for a Concentrated Solar Thermal Power Plant

A model predictive control strategy for a concentrated solar thermal power plant is proposed. Design of the proposed controller is based on an estimated linear time-invariant state space model around a nominal operating point. The model is estimated directly from input-output data using the subspace identification method and taking into account the frequency response of the plant. Input-output data are obtained from a nonlinear distributed parameter model of a plant rather than the plant itself. Effectiveness of the proposed control strategy in terms of tracking and disturbance rejection is evaluated through two different scenarios created in a nonlinear simulation environment