Optimum design and performance of a solar dish microturbine using tailored component characteristics

Versión revisada. Embargo 24 mesesThe aim of the paper is to find the optimum design and performance of solar microturbines powered by parabolic dish collectors using an innovative methodology which integrates the design and off-design models of the total system. In contrast to the common practice of assigning an estimated efficiency to the engine turbomachinery (generalized performance maps), the procedure hereinafter produces the specific geometry and the characteristic maps of compressor and turbine, according to their inlet/outlet thermodynamic states and working cycle boundary conditions. With this global approach, a sensitivity analysis is performed to search for the pressure ratio that maximizes the solar-to-electric efficiency at design point for a constant air mass flow rate and turbine inlet temperature. Maximum values in the range 18.0–21.7% are obtained for a pressure ratio of 3.2 when the turbine inlet temperature changes between 800 °C (base-case system) and 900 °C. The methodology allows also to simulate the performance of the system when different design DNIs are considered with the aim to maximize the annual yield of the system. Simulations performed for Beijing, Seville and San Diego showed that quite different DNIs (610–815 W/m2) are to be chosen to get the maximum annual (average) efficiency: 11–16% for the base-case system and 14–19% for a more advanced design.Comisión Europea Grant Agreement No. 30895

Techno-economic optimization of a solar thermal power generator based on parabolic dish collector and micro gas turbine.

El aprovechamiento de energía solar con un sistema de producción de potencia microtermosolar basado en un colector de disco parabólico y una microturbina de gas resulta prometedor para suministrar electricidad a comunidades remotas no conectadas a red y para, demanera general, incrementar la contribución de las energías renovables al panorama energético mundial. No obstante, el ímpetu investigador surgido a raíz de la crisis del petróleo de los años setenta fue abandonado posteriormente casi por completo debido a la caída de los precios del combustible fósil y a la falta de apoyo institucional. A pesar de alguna actividad ocasional, no fue hasta la llegada del proyecto OMSoP (Optimised Microturbine SOlar Power generator) en 2013, financiado por la Comision Europea a través del ProgramaMarco VII, cuando se retomó esta solución tecnológica con decisión. Sobre la base de capacidades complementarias en varias áreas tecnológicas, el proyecto pretendió (y consiguió) demostrar la viabilidad tecno-económica del concepto. En este escenario, la presente tesis está centrada en la optimización de un sistema de producción de potencia termosolar formado por un colector de disco parabólico y una microturbina de gas, con el objetivo de proporcionar una respuesta sólida (esperemos que definitiva) a la pregunta planteada originalmente por el proyecto OMSoP: "¿Pueden los sistemas discomicroturbina ser económicamente rentables en el futuro? Y, en caso afirmativo, ¿qué hace falta para conseguir dicha rentabilidad?" Con este objetivo en mente, la tesis se estructura en tres secciones claramente diferenciadas, cada una de las cuales hace uso de metodologías avanzadas, desarrolladas por el autor odisponibles en la literatura, todas ellas integradas en una plataforma de simulación innovadora. El modelo que evalúa el diseño de los componentes y el comportamiento termodinámico del sistema está compuesto por submodelos cero-dimensionales para la mayoría de los componentes principales, dado que estos resultan escalables con el tamaño adecuadamente: colector, receptor solar, intercambiadores de calor, alternador. Estos modelos están validados con datos disponibles en la literatura o con datos experimentales obtenidos durante el desarrollo del proyecto OMSoP. En el caso de las turbomáquinas, no obstante, se sabe que las pérdidas de energía aumentan de manera no lineal cuando el tamaño de la máquina disminuye (menor número de Reynolds, mayores pérdidas intersticiales y de venteo, etc.), aspecto que se indentificó desde un primer momento como una fuente potencial de pérdida de eficiencia que debía ser tenida en cuenta en la investigación. Por ello, se desarrollaron herramientas unidimensionales (códigos de líneamedia) de diseño y análisis de compresores y turbinas radiales, adaptadas a las especificaciones particulares de OMSoP. El simulador global resultante demostró ser capaz de proporcionar diseños preliminares de las turbomáquinas y de realizar análisis del sistema en condiciones de diseño y fuera de diseño, en operación estacionaria. Se han considerado tres configuraciones de microturbina: ciclo simple regenerativo, ciclo regenerativo con compresión refrigerada y ciclo regenerativo con compresión refrigerada y recalentamiento. Para cada configuración, caben dos estrategias de operación: solar o híbrida. Los sistemas híbridos emplean combustible fósil de apoyo, el cual puede ser añadido en serie o en paralelo al receptor solar y con diferente intensidad. Así, para una fracción solar (solarshare) alta, el sistema se denomina híbrido mientras que la denominación es solar-booster para una fracción solar baja. En este último caso, el sistema es diseñado esencialmente para operar con combustible fósil pero hay un colector solar de pequeño tamaño que aumenta la energía térmica aportada al sistema cuando existe energía solar disponible. Esto incrementa la potencia producida por la microturbina. El diseño y las especificaciones de los componentes son evaluados para todas las combinaciones posibles, así como su impacto sobre las prestaciones del sistema OMSoP. Finalmente, también se desarrollan las estrategias de control que permiten optimizar el comportamiento a carga parcial y garantizar la integridad mecánica del conjunto en cualesquiera condiciones operativas. La sección económica tiene por objetivo evaluar los costes de inversión y operación del sistema a lo largo de toda la cadena de suministro: fabricación, ensamblaje, transporte, importación, construcción, operación y desmantelamiento. Este análisis se implementa a través de funciones de coste sensibles al tamaño del sistema, las especificaciones de los componentes (temperatura de entrada a turbina, efectividad del recuperador), localización de la planta, volumen de producción. La base de datos de costes resultante se implementa posteriormente en un análisis de flujos de caja diseñado de manera específica para obtener la información de interés para este sistema. La optimización, tercera sección de la tesis, está basada en métodos estocásticos (algoritmos genéticos) tanto para el caso de una variable como para el caso multivariable. Se consderan diferentes funciones objetivo, la más relevante de las cuales son el Coste Nivelado de Electricidad (Levelized Cost of Electricity) y el impacto ambiental. Estas funciones se minimizan a través de la selección del tamaño óptimo del sistema, la calidad del colector y el valor de irradiancia normal directa empleado para el diseño (independientemente de la irradiancia de la localización elegida). En conjunto, los costes de instalacion son fuertemente dependientes del coste del disco. Esto significa que elevar el rendimiento de la microturbina, aunque esto requiera un motor con un mayor coste (mayor temperatura de entrada a turbina y efectividad del recuperador), casi siempre resulta compensado por la reducción de coste asociado a un disco parabólico de menor tamaño. Los resultados también ponen de manifiesto la importancia de la localización de la planta, no sólo por su impacto sobre la disponibilidad de recurso solar sino, de manera más importante, por el fuerte efecto que tienen los costes de transporte y tasas de importación sobre el coste final de instalación. Una vez se selecciona la ubicación del sistema con estos criterios, los resultados del análisis tecno-económico evidencian la importancia de realizar un diseño para las condiciones de contorno específicas que experimentará el motor. En otras palabras, el ajuste del diseño a las condiciones específicas de proyecto se manifiesta como una fuente de reducción de costes mucho mayor de lo que cabría esperar a partir de análisis similares con otras tecnologías. Antes de finalizar, debe reconocerse que existen ptras tecnologías para la producción de electricidad solar a pequeña escala, las cuales ya están consolidadas en el mercado (fundamentalmente paneles fotovoltaicos). No obstante, esta tesis revela que la electricidad microtermosolar producida mediante sistemas basados en disco parabólico y microturbina de gas tiene el potencial de ser económicamente competitiva frente a las tecnologías anteriores si se dan ciertas condiciones de contorno (que no resultan excepcionales). Es más, estos sistemas disco-mTG tienen características especiales que los diferencian de otras tecnologías como la fotovoltaica. Por ejemplo, su flexibilidad y fiabilidad y la fácil hibridación con combustibles fósiles es ciertamente un aspecto ganador en ciertas aplicaciones. Desde el punto de vista de la comercialización, los sistemas tipo solar-booster con aportación 50/50 combustible/solar parecen la opción más interesante a corto plazo. Los sistemas híbridos diseñados para operación sólo solar resultan más interesantes a medio plazo. Y si el volumen de mercado es suficientemente grande (10MWe/year), los sistemas solares puros se presentan como la mejor opción desde el punto de vista tecno-económico

Optimum design and performance of a solar dish microturbine using tailored component characteristics

The aim of the paper is to \ufb01nd the optimum design and performance of solar microturbines powered by parabolic dish collectors using an innovative methodology which integrates the design and o\ufb00-design models of the total system. In contrast to the common practice of assigning an estimated e\ufb03ciency to the engine turbomachinery (generalized performance maps), the procedure hereinafter produces the speci\ufb01c geometry and the characteristic maps of compressor and turbine, according to their inlet/outlet thermodynamic states and working cycle boundary conditions.With this global approach, a sensitivity analysis is performed to search for the pressure ratio that maximizes the solar-to-electric e\ufb03ciency at design point for a constant air mass \ufb02ow rate and turbine inlet temperature.Maximum values in the range 18.0\u201321.7% are obtained for a pressure ratio of 3.2 when the turbine inlet temperature changes between 800 \ub0C (base-case system) and 900 \ub0C.The methodology allows also to simulate the performance of the system when di\ufb00erent design DNIs are considered with the aim to maximize the annual yield of the system. Simulations performed for Beijing, Seville and San Diego showed that quite di\ufb00erent DNIs (610\u2013815 W/m2) are to be chosen to get the maximum annual(average) e\ufb03ciency: 11\u201316% for the base-case system and 14 \u201319% for a more advanced design

Analysis of the Thermodynamic Potential of Supercritical Carbon Dioxide Cycles: A Systematic Approach

After the renewed interest in supercritical carbon dioxide cycles, a large number of cycle layouts have been proposed in literature. These works, which are essentially theoretical, consider different operating conditions and modeling assumptions, and thus, the results are not comparable. There are also works that aim to provide a fair comparison between different cycles in order to assess which one is most efficient. These analyses are very interesting but, usually, they combine thermodynamic and technical restrictions, which make it difficult to draw solid and general conclusions with regard to which the cycle of choice in the future should be. With this background, the present work provides a systematic thermodynamic analysis of 12 supercritical carbon dioxide cycles under similar working conditions, with and without technical restriction in terms of pressure and/or temperature. This yields very interesting conclusions regarding the most interesting cycles in the literature. Also, useful recommendations are extracted from the parametric analysis with respect to the directions that must be followed when searching for more efficient cycles. The analysis is based on efficiency and specific work diagrams with respect to pressure ratio and turbine inlet temperature in order to enhance its applicability to plant designs driven by fuel economy and/or footprint