Thermodynamic optimisation of thermosolar hybrid Brayton cycle plants
- Autores: Rosa Pilar Merchán Corral
- Directores de la Tesis: Alejandro Medina Domínguez (dir. tes.), María Jesús Santos Sánchez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Salamanca ( España ) en 2020
- Idioma: inglés
- Títulos paralelos:
- Optimización termodinámica de plantas termosolares híbridas de ciclo Brayton
- Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Muñoz Antón (presid.), J. M. M. Roco (secret.), Monika Topel Capriles (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física Aplicada y Tecnología por la Universidad de Salamanca
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
La actual intensificación antropogénica del cambio climático junto con el agotamiento de los combustibles fósiles han impuesto un nuevo paradigma energético en el que destaca la necesidad de generar más potencia eléctrica, pero a partir de fuentes de energía más limpias y que reduzcan las emisiones contaminantes asociadas. La energía solar de concentración (Concentrated Solar Power, CSP), que emplea la radiación solar como principal fuente de energía, es una de las opciones más interesantes entre las diferentes energías renovables. En los sistemas que emplean esta tecnología, se concentra la radiación solar normal para obtener energía térmica a altas temperaturas y, a continuación, esta energía se transforma en energía eléctrica mediante un ciclo termodinámico y un generador eléctrico. De este modo, la energía termosolar de concentración permite producir energía de forma fiable, estable, segura, eficiente y limpia puesto que reduce, o incluso elimina por completo, las emisiones contaminantes de efecto invernadero asociadas con los combustibles convencionales y los problemas derivados de ellas. Una de las principales ventajas de los sistemas de energía termosolar de concentración radica en su potencial para ser hibridados con otras fuentes de energía y para almacenar energía solar en forma de calor, de modo que se pueda producir energía eléctrica cuando se desee y que se complete y rectifique el aporte de calor solar, que es intrínsecamente variable. Esta tesis doctoral está dedicada a estudiar una planta de concentración termosolar (CSP) desde el punto de vista termodinámico; en concreto, una planta solar de torre central (Solar Power Tower, SPT) acoplada a un ciclo Brayton híbrido. La planta en estudio está formada por un campo de heliostatos que apuntan hacia un receptor solar, donde se absorbe la radiación solar. A continuación, se intercambia este calor solar concentrado con un fluido de trabajo que lo absorbe y desarrolla un ciclo Brayton. El objetivo de la planta es funcionar como planta de generación de carga base (baseload), es decir, producir y entregar a la red eléctrica una potencia neta constante e independiente de la radiación solar. Para ello, se hibrida la turbina de gas en serie con una cámara de combustión, lo cual asegura una temperatura de entrada a la turbina constante y, como consecuencia, una potencia de salida constante. Si el aporte de calor solar no es suficiente para alcanzar la temperatura de entrada a la turbina impuesta, entonces la cámara de combustión quema gas natural completando y rectificando así la entrada de calor solar. Respecto al estado de la cuestión, existe una escasez significativa de estudios que se centren en integrar todos los subsistemas y en analizar sus inter-relaciones y cómo afectan estas a la planta global. Por consiguiente, los objetivos de la tesis comprenden el desarrollo de un modelo teórico y su implementación en un código propio para realizar simulaciones, tanto en el punto de diseño como dinámicas, que puedan ofrecer información valiosa sobre las pérdidas de energía y sobre las configuraciones que traen consigo mejores registros de salida. En esta tesis doctoral se analizan dos tipos de sistemas diferentes teniendo en cuenta el tamaño de la planta y la simetría del campo de heliostatos. Primero se evalúa una planta similar a SOLUGAS con una potencia de alredor de 5 MW y un campo polar. En segundo lugar, se examina una planta más grande, de aproximadamente 20 MW, y con un campo circundante. En este caso, para el dimensionamiento de los parámetros se emplea la planta GEMASOLAR, aunque se simula un ciclo Brayton en vez del ciclo Rankine propio de GEMA- SOLAR. Asimismo, otro objetivo de este estudio es la comparación de dos unidades de potencia diferentes (turbina de gas y turbina de vapor), pero con potencias similares, y con dimensiones del subsistema solar también similares. Por otro lado, se validan las predicciones del modelo mediante varios paquetes de software comerciales y utilizando datos de la literatura. Además de esta validación, también se realizan una comparación y una simple contextualización de las variables de salida de los modelos de los diferentes subsistemas. En el código se implementan datos meteorológicos reales de la localización específica, tales como irradiancia solar directa normal (Direct Normal Irradiance, DNI) y temperatura ambiente. Asimismo, en el subsistema solar se tienen en cuenta otros parámetros de entrada como la altura de la torre, el tamaño del receptor, la reflectividad de los heliostatos o el área de los espejos. Los principales parámetros de la máquina térmica incluidos para la modelización de la planta son la relación de presiones, la temperatura de entrada a la turbina, el flujo de masa del fluido de trabajo, las eficiencias de la turbina y el compresor y las caídas de presión asociadas con la cesión y absorción de calor. De entre los parámetros de salida analizados, varios están relacionados con diferentes eficiencias: eficiencia térmica global, eficiencia óptica del campo de heliostatos, eficiencia del subsistema solar y eficiencia de la máquina térmica. Igualmente, se calculan todas las tempera- turas y todos los flujos de calor del ciclo. Al mismo tiempo, se estudian otras variables como la fracción solar o solar share, la potencia de salida, el consumo específico de combustible y las emisiones de efecto invernadero correspondientes. Desde la perspectiva termo-económica, se evalúan la energía neta, el Coste Normalizado de la Electricidad (Levelised Cost of Electricity, LCoE) y sus componentes. Con el objetivo de analizar el comportamiento de diferentes fluidos de trabajo, se simula un ciclo cerrado mediante intercambiadores de calor. Así, se estudian aire seco, nitrógeno, dióxido de carbono y helio. También se examina la influencia del número de etapas de compresión y expansión. Por otro lado, se lleva a cabo un proceso de pre-optimización buscando configuraciones óptimas para la relación de presiones que impliquen mejores valores de las variables de salida. Las simulaciones diarias confirman que se ha cumplido el objetivo de generar una potencia de salida estable. Por otro lado, el comportamiento estacional se traslada directamente a la anchura y a la altura de las curvas de evolución diaria de variables de salida tales como eficiencias y temperaturas. Una conclusión clave de las simulaciones anuales fuera de diseño es que, entre todos los subsistemas, la máquina térmica se asocia potencialmente con la mejora más significativa de los registros de salida analizados. Asimismo, se investiga la influencia del recuperador en el esquema de la planta y se ha demostrado que su presencia es positiva tanto desde el punto de vista termodinámico como termo-económico. Igualmente, también se varía la localización de la planta para evaluar su efecto en las variables del modelo. Finalmente, los análisis de sensibilidad llevados a cabo permiten demostrar que, respecto de la relación de presiones, el Coste Normalizado de la Electricidad presenta todavía potencial para su reducción. Aparte de estos resultados concretos, la tesis doctoral revela la importancia de diseñar como un todo los sistemas solares de torre central acoplados a una turbina de gas híbrida, teniendo en cuenta la interacción entre los diferentes subsistemas. Por tanto, esta tesis doctoral puede ser útil en una etapa inicial de diseño de futuros sistemas solares de concentración de torre central que realicen ciclos Brayton híbridos.
- English
Current anthropogenic intensification of climate change together with fossil fuel exhaustion have made imperative the necessity of a new energy generation paradigm looking for increasing generated power, but from cleaner sources that reduce associated pollutant emissions. Among the different renewable energy sources, Concentrated Solar Power (CSP) technology constitutes a very interesting option that employ solar radiation as main energy source. This technology stands out thanks to its ability to produce reliable, safe, efficient and clean power reducing, or even fully removing, pollutant greenhouse effect emissions associated with conventional fuel combustion. In Concentrated Solar Power systems, direct solar radiation is concentrated in order to obtain high temperature thermal energy that is transformed into electrical energy by means of a thermodynamic cycle and an electric generator. Main advantage of Concentrated Solar Power technology is its potential for hybridisation and its potential to store solar energy as heat, both in order to produce electric energy when desired and to complete and to rectify the inherently variable solar contribution.
This doctoral thesis is devoted to study, from the thermodynamic point of view, a Concentrated Solar Power plant, in particular a Solar Power Tower coupled to a hybrid Brayton cycle. In this way, the plant is considered to be set up by a heliostat field pointing to a solar receiver, where solar radiation is absorbed. Afterwards, solar heat is exchanged to a working fluid that develops a Brayton cycle. Above all else, the plant is aimed to work as baseload; in other words, to produce, and to deliver to the grid, a constant net power independent of solar radiation. As a consequence, the gas turbine is hybridised in series by means of a combustion chamber that ensures a constant turbine inlet temperature, and so, desired power output. When solar heat is not enough to reach imposed turbine inlet temperature, the combustion chamber burns natural gas completing and rectifying the solar heat.
There exists a significant lack of studies focusing on integrating all subsystems and analysing their interrelationships and how they affect the global plant. In this way, the objectives of the thesis comprise the development of a theoretical model and its implementation in an own code for performing on-design and dynamic simulations that can offer valuable information of energy losses and configurations that lead to better output records.
According to the plant scale and to the heliostat field symmetry, two different sorts of systems are analysed in this doctoral thesis. First, a SOLUGAS-like plant with a power scale of about 5MW and a polar field is evaluated. Alternatively, a larger power scale of around 20MW and a surround field are examined too. In this case, GEMASOLAR plant is employed for parameters dimensioning. Nevertheless, a Brayton cycle is simulated instead of the Rankine power unit from GEMASOLAR. Following this trend, the comparison of two different power units (gas turbine and steam turbine) with similar power scales and solar subsystem size is one of the goals of this study.
Moreover, model predictions are validated by means of commercial software packages and by employing literature data. Apart from this validation, a comparison and a simple contextualization are also conducted for the different subsystem models output records.
Real meteorological data, such as solar direct normal irradiance and ambient temperature, are implemented in the code for the considered location. Additionally, other input parameters are taken into account in the solar subsystem like tower height, receiver size, heliostats reflectivity or mirrors area. Pressure ratio, turbine inlet temperature, working fluid mass flow, turbine and compressor efficiencies and heat release and heat absorption pressure decays are the main heat engine parameters for the plant modelling.
Some of the analysed output parameters are related to different kind of efficiencies: overall thermal efficiency, optical heliostat field efficiency, solar subsystem efficiency and heat engine efficiency. All cycle temperatures and heat rates are also computed. And other variables as fuel conversion rate, solar share, power output, specific fuel consumption and its associated greenhouse effect emissions are surveyed. From the thermo-economic perspective, net energy, Levelised Cost of Electricity and its components are evaluated.
In order to analyse different working fluids performance, a closed cycle with heat exchangers is simulated. Thus, dry air, nitrogen, carbon dioxide and helium are tested. Additionally, the number of compression and expansion stages is also surveyed. Moreover, a pre-optimisation process is carried out looking for optimum pressure ratio configurations that lead to improved output variables.
Daily simulations show that the objective of producing a stable power output is accomplished. On the other hand, seasonal behaviour is translated into the width and into the height of output variables daily evolution curves, such as efficiencies and temperatures. A key outcome from off-design annual simulations is that heat engine improvements could lead to the largest enhancements of analysed overall plant output records.
Moreover, the recuperator influence is researched and concluded to be positive from both thermodynamic and thermo-economic viewpoints. Likewise, plant location is varied in order to evaluate its effect on plant records. Furthermore, sensitivity analyses allow to demonstrate that Levelised Cost of Electricity still presents potential for reduction regarding pressure ratio.
Besides those particular outcomes, this doctoral thesis reveals the importance of designing the Solar Power Tower hybrid gas turbine system as a whole, taking into account subsystems interactions. Therefore, this doctoral thesis can be useful in an initial step of the design of future Solar Power Tower systems developing hybrid Brayton cycles.
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