Towards cost reduction in concentrating solar power: innovative design for an efficient fresnel based solar field

Energía termosolar (de concentración) es uno de los nombres que hacen referencia en español al término inglés “concentrating solar power”. Se trata de una tecnología basada en la captura de la potencia térmica de la radiación solar, de forma que permita alcanzar temperaturas capaces de alimentar un ciclo termodinámico convencional (o avanzado); el futuro de esta tecnología depende principalmente de su capacidad para concentrar la radiación solar de manera eficiente y económica. La presente tesis está orientada hacia la resolución de ciertos problemas importantes relacionados con este objetivo. La mencionada necesidad de reducir costes en la concentración de radiación solar directa, asegurando el objetivo termodinámico de calentar un fluido hasta una determinada temperatura, es de vital importancia. Los colectores lineales Fresnel han sido identificados en la literatura científica como una tecnología con gran potencial para alcanzar esta reducción de costes. Dicha tecnología ha sido seleccionada por numerosas razones, entre las que destacan su gran libertad de diseño y su actual estado inmaduro. Con el objetivo de responder a este desafío se desarrollado un detallado estudio de las propiedades ópticas de los colectores lineales Fresnel, para lo cual se han utilizado métodos analíticos y numéricos de manera combinada. En primer lugar, se han usado unos modelos para la predicción de la localización y la irradiación normal directa del sol junto a unas relaciones analíticas desarrolladas para estudiar el efecto de múltiples variables de diseño en la energía incidente sobre los espejos. Del mismo modo, se han obtenido analíticamente los errores debidos al llamado “off-axis aberration”, a la apertura de los rayos reflejados en los espejos y a las sombras y bloqueos entre espejos. Esto ha permitido la comparación de diferentes formas de espejo –planos, circulares o parabólicos–, así como el diseño preliminar de la localización y anchura de los espejos y receptor sin necesidad de costosos métodos numéricos. En segundo lugar, se ha desarrollado un modelo de trazado de rayos de Monte Carlo con el objetivo de comprobar la validez del estudio analítico, pero sobre todo porque este no es preciso en el estudio de la reflexión en espejos. El código desarrollado está específicamente ideado para colectores lineales Fresnel, lo que ha permitido la reducción del tiempo de cálculo en varios órdenes de magnitud en comparación con un programa comercial más general. Esto justifica el desarrollo de un nuevo código en lugar de la compra de una licencia de otro programa. El modelo ha sido usado primeramente para comparar la intensidad de flujo térmico y rendimiento de colectores Fresnel, con y sin reflector secundario, con los colectores cilíndrico parabólicos. Finalmente, la conjunción de los resultados obtenidos en el estudio analítico con el programa numérico ha sido usada para optimizar el campo solar para diferentes orientaciones –Norte-Sur y Este-Oeste–, diferentes localizaciones –Almería y Aswan–, diferentes inclinaciones hacia el Trópico –desde 0 deg hasta 32 deg– y diferentes mínimos de intensidad del flujo en el centro del receptor –10 kW/m2 y 25 kW/m2–. La presente tesis ha conducido a importantes descubrimientos que deben ser considerados a la hora de diseñar un campo solar Fresnel. En primer lugar, los espejos utilizados no deben ser plano, sino cilíndricos o parabólicos, ya que los espejos curvos implican mayores concentraciones y rendimiento. Por otro lado, se ha llegado a la conclusión de que la orientación Este-Oeste es más propicia para localizaciones con altas latitudes, como Almería, mientras que en zonas más cercanas a los trópicos como Aswan los campos Norte-Sur conducen a mayores rendimientos. Es de destacar que la orientación Este-Oeste requiere aproximadamente la mitad de espejos que los campos Norte-Sur, puediendo estar inclinados hacia los Trópicos para mejorar el rendimiento, y que alcanzan parecidos valores de intensidad térmica en el receptor todos los días a mediodía. Sin embargo, los campos con orientación Norte-Sur permiten un flujo más constante a lo largo de un día. Por último, ha sido demostrado que el uso de diseños pre-optimizados analíticamente, con anchura de espejos y espaciado entre espejos variables a lo ancho del campo, pueden implicar aumentos de la energía generada por metro cuadrado de espejos de hasta el 6%. El rendimiento óptico anual de los colectores cilíndrico parabólicos es 23 % mayor que el rendimiento de los campos Fresnel en Almería, mientras que la diferencia es de solo 9 % en Aswan. Ello implica que, para alcanzar el mismo precio de electricidad que la tecnología de referencia, la reducción de costes de instalación por metro cuadrado de espejo debe estar entre el 10 % y el 25 %, y que los colectores lineales Fresnel tienen más posibilidades de ser desarrollados en zonas de bajas latitudes. Como consecuencia de los estudios desarrollados en esta tesis se ha patentado un sistema de almacenamiento que tiene en cuenta la variación del flujo térmico en el receptor a lo largo del día, especialmente para campos con orientación Este-Oeste. Este invento permitiría el aprovechamiento de la energía incidente durante más parte del año, aumentando de manera apreciable los rendimientos óptico y térmico. Abstract Concentrating solar power is the common name of a technology based on capturing the thermal power of solar radiation, in a suitable way to reach temperatures able to activate a conventional (or advanced) thermodynamic cycle to generate electricity; this quest mainly depends on our ability to concentrate solar radiation in a cheap and efficient way. The present thesis is focused to highlight and help solving some of the important issues related to this problem. The need of reducing costs in concentrating the direct solar radiation, but without jeopardizing the thermodynamic objective of heating a fluid up to the required temperature, is of prime importance. Linear Fresnel collectors have been identified in the scientific literature as a technology with high potential to reach this cost reduction. This technology has been selected because of a number of reasons, particularly the degrees of freedom of this type of concentrating configuration and its current immature state. In order to respond to this challenge, a very detailed exercise has been carried out on the optical properties of linear Fresnel collectors. This has been done combining analytic and numerical methods. First, the effect of the design variables on the ratio of energy impinging onto the reflecting surface has been studied using analytically developed equations, together with models that predict the location and direct normal irradiance of the sun at any moment. Similarly, errors due to off-axis aberration, to the aperture of the reflected energy beam and to shading and blocking effects have been obtained analytically. This has allowed the comparison of different shapes of mirrors –flat, cylindrical or parabolic–, as well as a preliminary optimization of the location and width of mirrors and receiver with no need of time-consuming numerical models. Second, in order to prove the validity of the analytic results, but also due to the fact that the study of the reflection process is not precise enough when using analytic equations, a Monte Carlo Ray Trace model has been developed. The developed code is designed specifically for linear Fresnel collectors, which has reduced the computing time by several orders of magnitude compared to a wider commercial software. This justifies the development of the new code. The model has been first used to compare radiation flux intensities and efficiencies of linear Fresnel collectors, both multitube receiver and secondary reflector receiver technologies, with parabolic trough collectors. Finally, the results obtained in the analytic study together with the numeric model have used in order to optimize the solar field for different orientations –North-South and East-West–, different locations –Almería and Aswan–, different tilts of the field towards the Tropic –from 0 deg to 32 deg– and different flux intensity minimum requirements –10 kW/m2 and 25 kW/m2. This thesis work has led to several important findings that should be considered in the design of Fresnel solar fields. First, flat mirrors should not be used in any case, as cylindrical and parabolic mirrors lead to higher flux intensities and efficiencies. Second, it has been concluded that, in locations relatively far from the Tropics such as Almería, East-West embodiments are more efficient, while in Aswan North- South orientation leads to a higher annual efficiency. It must be noted that East-West oriented solar fields require approximately half the number of mirrors than NS oriented fields, can be tilted towards the Equator in order to increase the efficiency and attain similar values of flux intensity at the receiver every day at midday. On the other hand, in NS embodiments the flux intensity is more even during each single day. Finally, it has been proved that the use of analytic designs with variable shift between mirrors and variable width of mirrors across the field can lead to improvements in the electricity generated per reflecting surface square meter up to 6%. The annual optical efficiency of parabolic troughs has been found to be 23% higher than the efficiency of Fresnel fields in Almería, but it is only around 9% higher in Aswan. This implies that, in order to attain the same levelized cost of electricity than parabolic troughs, the required reduction of installation costs per mirror square meter is in the range of 10-25%. Also, it is concluded that linear Fresnel collectors are more suitable for low latitude areas. As a consequence of the studies carried out in this thesis, an innovative storage system has been patented. This system takes into account the variation of the flux intensity along the day, especially for East-West oriented solar fields. As a result, the invention would allow to exploit the impinging radiation along longer time every day, increasing appreciably the optical and thermal efficiencies

Analytic optical design of linear Fresnel collectors with variable widths and shifts of mirrors

Linear Fresnel collectors still present a large margin to improve efficiency. Solar fields of this kind installed until current time, both prototypes and commercial plants, are designed with widths and shifts of mirrors that are constant across the solar field. However, the physical processes that limit the width of the mirrors depend on their relative locations to the receiver; the same applies to shading and blocking effects, that oblige to have a minimum shift between mirrors. In this work such phenomena are studied analytically in order to obtain a coherent design, able to improve the efficiency with no increase in cost. A ray tracing simulation along one year has been carried out for a given design, obtaining a moderate increase in radiation collecting efficiency in comparison to conventional designs. Moreover, this analytic theory can guide future designs aiming at fully optimizing linear Fresnel collectors' performance

A comparative analysis of configurations of linear Fresnel collectors for concentrating solar power

Linear Fresnel collector arrays present some relevant advantages in the domain of concentrating solar power because of their simplicity, robustness and low capital cost. However, they also present important drawbacks and limitations, notably their average concentration ratio, which seems to limit significantly the performance of these systems. First, the paper addresses the problem of characterizing the mirror field configuration assuming hourly data of a typical year, in reference to a configuration similar to that of Fresdemo. For a proper comparative study, it is necessary to define a comparison criterion. In that sense, a new variable is defined, the useful energy efficiency, which only accounts for the radiation that impinges on the receiver with intensities above a reference value. As a second step, a comparative study between central linear Fresnel reflectors and compact linear Fresnel reflectors is carried out. This analysis shows that compact linear Fresnel reflectors minimize blocking and shading losses compared to a central configuration. However this minimization is not enough to overcome other negative effects of the compact Fresnel collectors, as the greater dispersion of the rays reaching the receiver, caused by the fact that mirrors must be located farther from the receiver, which yields to lower efficiencies

Comparación de centrales de ciclo combinado hibridadas con energía solar: tecnologías CCP y Fresnel de reflexión

En el presente trabajo se compara la producción, tanto en términos energéticos como económicos, de centrales de ciclo combinado hibridadas con energía solar de concentración según distintas tecnologías. Como se destaca en [1], los ciclos combinados convencionales se prestan muy adecuadamente a la hibridación con sistemas solares de concentración, que aportan la energía térmica producida al ciclo de vapor (centrales denominadas ISCC por sus siglas en inglés, Integrated Solar CombinedCycle). En efecto, durante la producción anual, las condiciones más exigentes para un ciclo combinado (alta temperatura ambiental) se correlacionan con las condiciones óptimas de producción de energía solar térmica de concentración (estación estival), por lo que se producen ciertas sinergias que favorecen el rendimiento conjunto. En trabajos previos [2] se mostró la idoneidad y viabilidad económica de la tecnología ISCC trabajando con un campo de colectores cilindro parabólicos (CCP) y generación directa de vapor (precalentamiento y evaporación) en localizaciones con condiciones atmosféricas muy severas en verano, pero no en ubicaciones de clima más templado. Por otro lado, en [3] se estudian los posibles puntos de aporte de la energía solar sobre el ciclo de vapor, concluyendo que la producción mejora notablemente si el calor se destina exclusivamente a la evaporación en el nivel de alta presión, evitando el precalentamiento del agua y el sobrecalentamiento del vapor. Asimismo, es también previsible la mejora económica en el caso de que se empleen campos de tipo Fresnel de concentración en lugar de CCP. Por ese motivo, se comparan las tecnologías CCP y Fresnel produciendo ambas exclusivamente vapor en el nivel de alta presión del ciclo de vapor. Para ambas configuraciones se procede a la caracterización de las tecnologías y a su posterior simulación para analizar la producción durante un año tipo en dos localizaciones (Almería y Las Vegas).Los autores desean agradecer al Ministerio de Economía y Competitividad la financiación proporcionada al trabajo, a través de los proyectos de Plan nacional de I+D+i ENE2012-37950-C02- 01 y ENE2012-37950-C02-02

Rendimiento térmico de diferentes tipos de turbinas de gas en aplicaciones de pequeña potencia

El objetivo de este trabajo es estudiar si la pérdida de rendimiento que tiene lugar a bajos números de Reynolds (Re) puede representar un problema en turbinas de gas de pequeña potencia y, en caso afirmativo, si el empleo de ciclos alternativos como los Joule-Brayton inversos o los supercríticos con CO2 (sCO2) pueden considerarse una solución a ese problema. En primer lugar, se explican y se comparan dos procedimientos diferentes para el cálculo de la pérdida de rendimiento por bajos Re en turbomáquinas. A continuación, se utilizan los parámetros de diseño de un cierto número de turbinas de gas comerciales para demostrar que esa pérdida de rendimiento es significativa para potencias inferiores a 1,5 MW aproximadamente. Por último, se calculan los rendimientos y números de Reynolds de los otros tipos mencionados de turbinas de gas. El sCO2 se muestra como una alternativa prometedora, ya que, con ese ciclo, Re experimenta un considerable aumento y el rendimiento puede considerarse bueno. El ciclo inverso, por el contrario, es una opción menos interesante por su bajo rendimiento y porque no conlleva mejoras en el Re.Ministerio de Economía y Competitivida

Herramientas de cálculo para el modelado de receptores centrales de energía solar de concentración

La energía solar está viendo actualmente importantes avances en las tecnologías desarrolladas para su aprovechamiento a nivel industrial, ya sea calor de proceso o producción de energía eléctrica. Una parte importante de los esfuerzos en este ámbito se dirigen al receptor de la radiación solar concentrada, elemento en el que se persigue transmitir la energía reflejada por el sistema concentrador al fluido calorífero con las menores pérdidas térmicas posibles. La consecución de un diseño adecuado o la mejora de uno ya establecido debe llevarse a cabo a través de un análisis exhaustivo de la física que se desarrolla en el interior del receptor, para lo que existen diversas herramientas. Las más comunes pasan por el ámbito computacional y tratan de simular la física que aparece en estos elementos, pudiendo realizarse la implementación de la física y la geometría del receptor de forma manual o adquiriendo la licencia de algún programa comercial que tenga implementada la física y quede a cargo del usuario implementar la geometría. El uso de una herramienta debe estar fundamentado por el objetivo que se persigue, por lo que no se debe tomar a la ligera. El objetivo de este trabajo es realizar una revisión las principales tipologías de herramientas de software utilizadas en el estudio de receptores de torre central (los asociados a un mayor flujo de potencia junto con los discos parabólicos), discutiendo en qué caso es más recomendable una u otra herramienta e indicando recomendaciones sobre en qué ocasiones puede ser útil el desarrollo de una herramienta propia. Se muestra, además, el ejemplo de una herramienta generada por los autores, útil cuando se persigue el diseño conceptual (no de detalle) de una tecnología de este tipo.Los autores agradecen las discusiones técnicas con el resto de integrantes del Grupo de Investigaciones Termoenergéticas de la Universidad Politécnica de Madrid. Este trabajo ha sido parcialmente financiado por ayudas del plan nacional Spanish Grant ‘VI Plan Nacional’ ENE2012- 37950-C02-01 y ENE2012-37950-C02-02

Reynolds-number-dependent efficiency characterization of a micro-scale centrifugal compressor using non-conventional working fluids

The selection of working fluids other than air is a key issue in improving the efficiency of new thermodynamic cycles intended for low-to-moderate temperature small power plants. The aim of this paper is to study whether the low efficiency typical of small turbomachinery is still a problem when using alternative fluids. Based on a new design of power cycles named balanced hybrid Rankine-Brayton cycles, five different fluids were selected as potential working fluids: carbon dioxide, propane, isobutane, pentafluoroethane and sulfur hexafluoride. Dimensional analysis was used to compare the performances of a micro-scale centrifugal compressor working in homologous points where the efficiency variation depends only on the Reynolds-number (Re). The influence of Re on efficiency was calculated by means of four different methods for comparative purposes. Numerical simulations were also carried out in order to validate the methodological approach proposed. The results show the efficiency variations as a function of Re for increasing fluid densities. All the non-conventional fluids studied provide better performance in terms of efficiency than air. Particularly, isobutane and propane have been identified as potential working fluids candidates for the aforementioned innovative power cycle

Effect of pressurization on tip leakage losses in micro-scale centrifugal compressors

Turbomachinery miniaturization has been an emerging research field during the last decades and, especially, micro-scale radial compressors are becoming increasingly relevant due to the development of high-speed electric motors. They can be found in a wide range of applications such as micro gas turbines, aerial unmanned vehicles propulsion, fuel cells and even medical ventilators. Furthermore, the use of micro-scale centrifugal compressors has been recently proposed for heat pump applications using working fluids different than air which need to be pressurized. Since this down-scaling implies low inlet Reynolds-number, the use of these pressurized fluids entails beneficial effects on the internal efficiency of the machine due to the increase in Reynolds-number within a laminar-to-turbulent regime. Nevertheless, one of the main challenges in micro-turbomachinery is the large relative tip clearances due to assembly and manufacturing tolerances. These large clearance ratios lead to increased tip leakage losses that limit drastically the efficiency in the considered reduced-scale compressors. Besides, pressurized working fluids used in the aforementioned heat pump applications result in an increase in the pressure difference between the pressure and suction sides of the blade. This is precisely why the main goal of this work is to quantify the effect of inlet pressure on the tip leakage losses in micro-scale centrifugal compressors. The present paper proposes the assessment of the tip leakage losses by means of both analytical and numerical approaches. First, new operating conditions when using different working fluids are calculated considering the corresponding corrections due to Reynolds-number-dependent losses. Then, one-dimensional methods are applied to estimate the expected reduction in internal efficiency and the clearance ratio. On the other hand, a numerical model of the impeller-diffuser reference micro-compressor stage is developed using ANSYS CFX 19 in order to characterize the complex three-dimensional interactions within the tip leakage phenomena. Results show the effect of pressurization in four selected working fluids (air, carbon dioxide, isobutane and propane) in the range of desired inlet pressures for heat pump applications. A comparison is presented between analytical and numerical results. While slight differences in clearance ratio are found, expected reduction in efficiency provided by analytical methods are not aligned to the numerical results. However, both methods agree in the fact that inlet pressure has low influence on the internal efficiency for all working fluids simulated

International trade in corals

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre-DSC:98/23269 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo