Study of an unfried closed joule-brayton cycle in a concentrating solar tower plant with a mass flow rate control system

Abstract

Oggigiorno, la domanda di energia primaria è aumentata, raggiungendo un incremento del 62.5% rispetto a 20 anni fa. La necessità di risorse rinnovabili ha spinto le politiche governative di tutto il mondo a incoraggiare lo sviluppo di nuovi sistemi di produzione di energia. Fra questi vi sono i sistemi a concentrazione solare (CSPs), una tecnologia che concentra la radiazione solare rendendola disponibile, attraverso un fluido termovettore (HTF) come fonte di calore in un ciclo termodinamico di potenza. Il ciclo di potenza più efficiente, come noto, è quello Joule-Brayton, che in configurazione chiusa consente l'utilizzo di HTF diversi; inoltre, è possibile lavorare in condizioni di pressione elevate, con alta temperatura operativa ed efficienza di conversione. L’uso dell’aria come fluido di lavoro rende di facile gestione il sistema senza rischi. Inoltre unendo il ciclo chiuso con un sistema CSP, il sistema è totalmente privo di combustione e non essendo necessario l’uso di combustibile, non sono emessi inquinanti. Fra i sistemi CSP, la tecnologia a torre è in grado di poter raggiungere più alte temperature, disponibile quindi nel ciclo Brayton, e per questo motivo è stato considerato il suo uso nelle analisi. La risorsa imprevedibile, rappresentata dalla radiazione solare, richiede un metodo di regolazione per il controllo della potenza generata dall’impianto. In questo lavoro, quindi, è stata analizzata la fattibilità di un ciclo Joule-Brayton chiuso senza combustione, in un impianto solare a concentrazione a torre che utilizza un sistema di controllo della portata massica. Nel ciclo è operato un controllo della temperatura di ingresso della turbina della turbina a gas, quando varia la radiazione normale diretta (DNI) attraverso la regolazione della densità del fluido di lavoro; questa regolazione è attuata attraverso una variazione di pressione di base del ciclo. In questo sistema la turbina gas non cambia la portata volumetrica come anche i triangoli di velocità o i rapporti di pressione, quindi variando la densità del fluido di lavoro, attraverso una variazione di pressione, è possibile regolare la portata massica al fine di controllare la TIT. Controllando la TIT, quindi, è possibile controllare la potenza elettrica prodotta dalla turbina a gas sotto diversi carichi termici del DNI. In questo lavoro, diverse configurazioni, in termini di potenza delle macchine, come anche l’utilizzo di accumulo termico (TES) sono stati analizzate, ponendo particolare attenzione alla progettazione del campo eliostati. I risultati mostrano che l’efficienza globale del ciclo, rimane costante sotto differenti carichi termici dovuti alla radiazione solare, indipendentemente dalla potenza della turbina a gas; l’utilizzo di accumulo permette di aumentare le ore di utilizzo dell’impianto come anche il fattore di utilizzazione (UF). L’analisi economica, effettuata attraverso il metodo del Levelised Cost of Electricity (LCoE) ha reso possibile ottenere un valore del multiplo solare (SM) differente rispetto ai valori tipici usati. In fine è stata considerata l’applicazione in micro scala di questo tipo di impianto, al fine di confrontarlo con un sistema commerciale esistente.