Un nuovo circuito doppio dell'acqua di alimentazione per una centrale solare parabolica

Nov 01, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7471 (2023) Citare questo articolo

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Il modello dinamico validato di una centrale elettrica a vasca parabolica (PTPP) è migliorato mediante la combinazione di un nuovo circuito dell'acqua di alimentazione (circuito acqua di alimentazione/HTF) e un circuito dell'acqua di alimentazione di riferimento (circuito acqua di alimentazione/vapore), nonché lo sviluppo del modello di turbina a vapore . Tale progetto rappresenta il primo sforzo di ricerca per utilizzare un doppio circuito dell'acqua di alimentazione all'interno del PTPP per aumentare la potenza in uscita durante il giorno da 50 a 68 MWel e aumentare le ore di funzionamento notturno a un costo inferiore. Lo scopo di aumentare le ore di funzionamento notturno ad una potenza (48 MWel) come nel PTPP di riferimento è quello di eliminare il sistema di backup di combustibili fossili e fare affidamento solo sull'energia solare assorbita e sull'energia immagazzinata nel sale fuso. Durante le ore diurne, il circuito dell'acqua di alimentazione viene azionato utilizzando Feedwater/HTF. Nel periodo transitorio il circuito acqua di alimento/HTF verrà progressivamente chiuso a causa della diminuzione dell'irraggiamento solare. Inoltre, il resto della portata massica nominale dell'acqua di alimentazione (49 kg/s) viene gradualmente reintegrata dal circuito acqua di alimentazione/vapore. Dopo il tramonto, tutta l'acqua di alimentazione viene riscaldata grazie al vapore estratto dalla turbina. Lo scopo di questo miglioramento è quello di aumentare il numero di ore di funzionamento notturno riducendo il carico nominale da 61,93 a 48 MWel a causa della bassa domanda di energia durante le ore serali. Pertanto, uno studio comparativo tra il modello di riferimento e questa ottimizzazione (ottimizzazione 2) è stato condotto per le giornate serene (26-27/giugno e 13-14/luglio 2010) al fine di comprendere l'influenza del doppio circuito dell'acqua di alimentazione. Il confronto indica che le ore di funzionamento del power block (PB) saranno ovviamente aumentate. Inoltre, questo miglioramento si riduce in base al sistema di combustibili fossili durante la notte. Come ultimo passaggio, è stata eseguita un'analisi economica sui costi del PTPP di riferimento e ottimizzato in funzione del costo energetico livellato (LEC). I risultati mostrano che il costo energetico specifico di un PTPP con 7,5 ore di capacità di stoccaggio viene ridotto di circa il 14,5% aumentando la produzione del PTPP da 50 a 68 MWel.

L’uso dell’energia solare concentrata (CSP) per la generazione di elettricità è un passo fondamentale nella direzione di una crescita sostenibile dal punto di vista ambientale e offre un’alternativa altamente preferibile contro il degrado atmosferico1, 2. Vengono utilizzate tecnologie CSP per raggiungere temperature elevate. Le strutture CSP si stanno concentrando sull'irradiazione solare diretta su aree ristrette, consentendo di raggiungere temperature elevate. Nelle tecnologie CSP, una depressione parabolica (PT) può essere considerata una tecnologia perfezionata negli impianti CSP, che ha anche dimostrato la sua fattibilità economica3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17. Ad esempio, i PTPP sono in grado di raggiungere temperature prossime ai 395 °C18. Tali centrali elettriche sono dotate di un sistema di accumulo termico (TSS) per la generazione continua di energia per ore in assenza di luce solare6.

Per integrare indagini più sperimentali, la modellazione di simulazione del PTPP supporta la comprensione del funzionamento del sistema, delle sue potenzialità e dei vincoli. I miglioramenti e le riconfigurazioni dei sistemi energetici iniziano generalmente con la modellazione dei processi in stato stazionario. Al contrario, l'utilizzo della modellazione dinamica consente agli utenti e agli ingegneri di sviluppare migliori strategie operative e suggerimenti per il controllo del processo17, 19. Finora sono stati condotti vari tipi di sperimentazione per la modellazione e la simulazione del PTPP. La validità del modello di realizzazione e la sperimentazione di vari approcci operativi hanno costituito gli scopi principali alla base di questi sforzi. Di seguito viene esaminata un'ampia panoramica delle indagini di modellazione dinamica relative al PTPP.

Yuanjing et al. 1 ha suggerito di migliorare la centrale solare termica ad acquedotto parabolico da 30 MW. Hanno specificato un modello per le prestazioni dell'intero impianto. È stato elaborato un programma commerciale Ebsilon per costruire i modelli di simulazione dell'impianto (SEGS VI). Inoltre, è stata condotta un'analisi delle prestazioni dei due impianti in specifiche condizioni progettuali e operative. Inoltre, hanno valutato tutti i fattori di implementazione del SEGS VI con un sistema potenziato. I risultati rivelano che l’efficienza del campo solare aumenta di circa lo 0,52% e la prestazione complessiva degli impianti aumenta di circa lo 0,22% nelle atmosfere operative. Allo stesso tempo aumenta il numero dei collettori dell'aspetto solare, il che offre una grande possibilità di applicazione. Liu et al.20 hanno sviluppato un regolatore predittivo modale per unire il carico energetico reale con le informazioni per i dati climatici predittivi, per ridurre il consumo cumulativo di carbone in un giorno distinto e in un periodo di durata particolare. Inoltre, hanno condotto una simulazione per dieci giorni consecutivi per vedere i vantaggi e le procedure operative del modello di regolatore predittivo. È stato eseguito un confronto tra il regolatore tradizionale e le previsioni di carico; una particolare simulazione giornaliera mostra che la riduzione del consumo di carbone utilizzando un metodo di regolazione predittivo è stata aumentata di circa il 13,6% (21,3 tonnellate), mentre nella simulazione di dieci giorni successivi era del 20,3%. Si è concluso che l'implementazione del metodo di generazione di energia alimentata a carbone dal collettore solare, così come dal canale parabolico, ha migliorato la comprensione dei vantaggi e delle limitazioni dell'utilizzo del metodo di un regolatore predittivo nella procedura operativa. La scelta del raffreddamento del condensatore ha molto probabilmente un impatto sulla fattibilità tecnico-economica. A questo proposito, si sta tentando di valutare la durata della capacità di riduzione dell’inquinamento da CO2-eq (LCCM) per una capacità minima (50 MW) di raffreddamento sia a secco che a umido. Aseri et al.3 hanno condotto questa ricerca in India utilizzando due regioni (PTSC) e strutture CSP dipendenti dal raffreddamento a secco (6,0 h) di energia termica immagazzinata (SPT). I risultati hanno mostrato che il raffreddamento a secco può far risparmiare una grande quantità di acqua, pari al 91,99%, in questi impianti corrispondenti agli impianti di raffreddamento a umido. Wang et al.21 hanno suggerito, fabbricato e sperimentato un ricevitore solare a canale parabolico unico con uno schermo di radiazione, secondo l'approccio di una zona di flusso termico negativo, per migliorare le prestazioni di conversione solare/termica del collettore a canale operativo dopo il suo degrado alle massime temperature operative. Hanno stabilito modelli matematici di raccolta del calore, nonché di valutazione economica. I risultati della simulazione forniscono una buona concordanza con i dati pratici. Sono stati studiati approfonditamente i risultati tecnico-economici degli impianti solari che realizzano i ricevitori solari presentati in tre regioni con diverse capacità installate e capacità di accumulo termico. I risultati hanno evidenziato che il ricevitore solare presentato possiede notevoli possibilità di miglioramento significativo dei risultati tecnico-economici del sistema di energia solare. Dove il miglioramento della produzione annuale netta di energia elettrica del sistema di energia solare con i ricevitori solari presentati posizionati a Dunhuang è di circa il 9,77% e una diminuzione del costo livellato dell'energia è di circa l'8,67%. Manesh et al.22 hanno eseguito lo sviluppo di una centrale elettrica condivisa nella città di Qom, avviata sulla base di un processo di desalinizzazione a impatto multiplo a energia solare. Considerando ciò, hanno condotto un esame (6E) su energia, exergia, esercizio economico, exergoambientale, economia emergente ed emergoambientale. Inoltre, hanno utilizzato un algoritmo genetico multi-obiettivo (MOGA) per perfezionare il ciclo proposto in base all'analisi (6 E). I risultati hanno mostrato che la performance esegetica dell'impianto suggerito è migliorata del 3,22%. Inoltre, a seguito dell'ottimizzazione e nei migliori stati operativi, i prezzi di produzione dell'energia, gli effetti ambientali della produzione di energia, i prezzi della produzione di acqua dolce, gli effetti ambientali della produzione di acqua dolce e l'energia del sistema proposto sono diminuiti di circa il 6,27%, 24,51%, 36,51 %, 26,13% e 1,87%, rispettivamente. Linrui et al.4 hanno creato un modello di centrale elettrica a vasca parabolica e ne hanno studiato la strategia operativa. C'è un campo solare e un blocco di potenza aerodinamico. Hanno dimostrato che la tecnica adottata ha migliorato la produzione di energia elettrica del 3,4% rispetto alla strategia originale. Wei et al.23 hanno sviluppato un nuovo modello di analisi dinamica per locomotive con scambiatori di calore. Inoltre, viene suggerito per la prima volta un semplice modello analitico di un CSP parabolico combinato comprendente una parte PTS, un sottosistema di massa energetica e accumulo di energia termica. La convalida tra i dati attuali della piattaforma e i dati calcolati dalla struttura Andasol II è avvenuta per dimostrare l'accuratezza del modello integrato. Ogni risultato di validazione di un caso stazionario e di un paio di scenari dinamici mostra che il modello presentato può descrivere le principali operazioni del sistema con precisione e prestazioni di calcolo accettabili. Considerati i vantaggi di affidabilità e chiarezza, il modello integrato può essere utilizzato per sviluppare e valutare i controlli di sistema per le strutture CSP. I sistemi ASI forniscono dati DNI per l'intero impianto con una risoluzione di (20 × 20 m2), mentre il sistema di telecamere ombra fornisce dati DNI con una risoluzione di (5 × 5 m2). Entrambi i metodi tracciano i movimenti delle nuvole e, di conseguenza, forniscono previsioni a breve termine fino a 30 minuti. Queste previsioni vengono utilizzate per sofisticati metodi di regolazione nel campo solare, aumentando potenzialmente la resa complessiva dell'impianto fino al 2%24. Liu et al.9 hanno presentato un sistema SAPG che preriscalda l'acqua di alimentazione utilizzando una vasca parabolica e riscalda il vapore con una torre solare. Sono state esaminate le prestazioni del sistema con tre carichi distinti (100%, 75% e 50%), nonché le normali prestazioni orarie nel corso di quattro giorni tipici. Può comportare un aumento dell’energia solare superiore al (10%). Arslan et al.25 hanno studiato la regione solare inferiore nel ciclo Rankine. hanno valutato diversi parametri come R600a, toluene e ciclopentano. Inoltre, hanno progettato un impianto che comprende un dominio solare, un sottoimpianto di accumulo di energia termica e un blocco di energia per un periodo di funzionamento di 24 ore senza fonte di energia esterna. Ha scoperto che i circuiti tradizionali hanno un design migliore con un rapporto netto di 0,0009012 miliardi di dollari e hanno determinato la migliore temperatura e pressione di ingresso della turbina rispettivamente a 380 °C e 3,25 bar. La vasca parabolica basata su un impianto solare dipende dalla riduzione del costo livellato dell'elettricità, grazie al ricircolo diretto del sale fuso. Questo studio sottolinea i cambiamenti e le preoccupazioni rilevanti per la sostituzione degli oli termici con sali fusi come il coefficiente di trasmissione del calore, la diminuzione della pressione, le soluzioni di congelamento a resistenza, la progettazione dei blocchi energetici e il prezzo. I risultati hanno dimostrato che le diminuzioni di pressione nel dominio solare sono costituite da sali fusi più brevi piuttosto che da olio termico a causa di intervalli di temperatura operativa elevati12. Rao et al.26 hanno creato un prototipo termodinamico unico per replicare i comportamenti di reazione delle tecniche CSP di base e di rigenerazione basate su CO2-TRC attraverso CSP in presenza di diversi disturbi della nebbia. I risultati dimostrano che quando si esaminano le prestazioni del sistema, lo spessore delle nuvole ha la maggiore influenza sulla gamma di capacità, mentre la lunghezza del cielo coperto ha la maggiore influenza sul tempo di recupero. A parità di formazione di nebbia, il processo di recupero del sistema rigenerativo potrebbe essere tre volte quello del sistema semplice. Se sottoposto allo stesso periodo di copertura nuvolosa, il semplice sistema raggiungeva uno stato stazionario in meno tempo. Esistono molte somiglianze tra LFC e PTC in termini della loro possibile integrazione in una tecnica profilata ICST basata su AT. Entrambi i metodi sono scalabili a varie dimensioni senza alcun impatto di scala percepibile in termini di costi e sostanze. La scalabilità viene generalmente ottenuta in entrambe le circostanze regolando la regione di apertura e la distanza del ricevitore diritto27. Il funzionamento del sistema di generazione solare parabolico è stato modellato e migliorato da Wang28 in circostanze nuvolose. La differenza tra le prestazioni exergetiche dell'energia consumatrice e dell'accumulo termico e dei sistemi di energia termica è stata determinata da circostanze nebbiose. I dati del modello rispetto ai dati di studi ben noti sono stati convalidati. Il comportamento combinato di energia-exergia-controllo (CEEC) è stato utilizzato in questo studio per considerare il problema dello sviluppo di un sistema termodinamico efficiente con adeguate caratteristiche di regolazione. A tale scopo è stato effettuato uno studio energetico ed exergetico per il ciclo presentato, seguito da un'accurata modellazione dei collettori parabolici a valle (PTC). Hanno illustrato le equazioni di controllo che governano e calcolato di conseguenza il periodo di reazione del sistema di regolazione. La strategia ottimale CEEC viene fornita utilizzando l'ottimizzazione multi-target per ottimizzare le prestazioni energetiche/exergetiche riducendo al contempo il tempo di assestamento del ciclo suggerito. I risultati hanno mostrato un progresso del 36,06% nella prestazione energetica dell’intero ciclo e un tempo di assestamento del 25,09%. Mentre i tempi di energia, exergia e assestamento hanno mostrato rispettivamente un progresso del 34,02, 28,25 e 17,63% nell'operazione dell'obiettivo29. Per compensare la perdita finale, Reddy e Ananthsornaraj30 hanno proposto un collettore solare parabolico (PTC) con una lunghezza del tubo assorbitore estesa. La lunghezza del canale era di 4,6 m, la larghezza del canale era di 5,7 m, la lunghezza focale era di 1,7 m e l'angolo del bordo era di 80,3°. Questa tecnica di compensazione è efficace per collettori a vasca di considerevoli dimensioni poiché la percentuale di dissipazione termica della regione non riscaldata del ricevitore era minima rispetto all'efficienza di raccolta del calore del sistema complessivo. El Kouche e Gallego31 hanno sviluppato le simulazioni numeriche di un PTC con temperatura basata su caratteristiche fisiche. Sono state create le espressioni matematiche. Sono state modellate diverse correlazioni note e recenti per i fattori di trasferimento del calore. Sono state inoltre eseguite diverse simulazioni numeriche che hanno fornito utili feedback sullo stato di avanzamento e sull'efficacia dell'impianto PTC nell'area prescelta. Moreno et al.32 hanno suggerito di utilizzare reti neurali sintetiche per stimare la migliore portata fornita dal progetto di un regolatore per ridurre sostanzialmente il carico computazionale al 3% del tempo di calcolo MPC. Le reti neurali sono state addestrate su un set di dati di prova di 1 mese di un campo collettore controllato da MPC. È stato studiato l'uso di un numero variabile di misure come input netti. I risultati hanno rivelato che i regolatori della rete neurale offrono circa la stessa potenza media dei regolatori MPC, con varianze inferiori a 0,02 kW come con la maggior parte delle reti neurali, cambiamenti meno bruschi nell’output e lievi violazioni dei vincoli. Inoltre, le reti neurali suggerite funzionano in modo efficace anche quando si utilizzano sensori e stime multipli di piccole dimensioni, con l’insieme di input della rete neurale ridotto a 10 punti percentuali della dimensione effettiva. In questa competizione, gli impianti CSP più recenti utilizzano i sali fusi (MS) nei collettori solari come mezzo di accumulo del calore e, in alcune circostanze, come fluido di trasferimento del calore (HTF). Nell'implementazione CoMETHy, un reformer a membrana riscaldata a sale fuso combinato con un pre-reformer è stato progettato e ampiamente testato a livello industriale (fino a 3 Nm3/h di produzione di permeato di H2) in un ciclo a sali fusi33. Goyal e Reddy34 hanno creato un modello termico numerico per valutare le prestazioni della s-CO2 come HTF in un PTC solare. Hanno calcolato l'entropia indotta all'interno dell'HTF dalle variazioni finite della temperatura e dall'attrito del flusso del fluido utilizzando campi regionali di temperatura e velocità. Inoltre, hanno utilizzato un metodo di analisi ottica basato sul Ray Tracing Monte Carlo. I risultati hanno dimostrato la riduzione al minimo dell'entropia creata nel ricevitore PTC al numero di Reynolds perfetto per ciascuna pressione operativa e temperatura di aspirazione dell'HTF. Il numero di Bejan calcola il contributo dell'entropia sviluppata dall'irreversibilità del trasferimento di calore all'entropia sviluppata dal trasferimento di calore e dall'irreversibilità del flusso del fluido, dove era compreso tra (0,2–0,4) alle portate massime e vicino a 1,00 alle portate minime35. In base alla diffusione non omogenea della temperatura nel ciclo PTC, esiste un nuovo approccio che coinvolge a cascata diversi quadri assorbenti solari scelti in varie divisioni del ciclo di accumulo. Per mettere in atto la tecnica prevista, sono stati considerati due sistemi: l'approccio multidivisione e l'approccio ideale. È emerso che l’approccio multidivisione e ideale produce una maggiore efficienza rispetto a un approccio tradizionale. Inoltre, a una temperatura di lavoro compresa tra 290 e 550 °C, la perdita di calore dell'approccio multidivisione è diminuita del 29%, inoltre la prestazione termica è stata migliorata del 4%35. Subramanya et al.36 hanno studiato sperimentalmente le prestazioni del PTC, azionando un tubo ricevitore rotazionale con velocità da 0 a 4 giri al minuto, varie temperature interne e portate. Vengono esaminati molteplici parametri, come le prestazioni termiche, l'aumento di temperatura e le caratteristiche di attrito. I risultati hanno rivelato che la caratteristica di attrito aumenta rapidamente, oltre ad aumentare i valori della differenza di temperatura a causa dell'utilizzo del tubo ricevitore rotazionale. Il miglior miglioramento delle prestazioni termiche causato dalla diminuzione della temperatura interna e dall'aumento della portata è stato del 190,3% rispetto al tubo ricevente fisso. Stutzle et al.37 hanno modellato un regolatore lineare per sviluppare un PTPP SEGS VI da 30 MWe per fornire un algoritmo di regolazione per approssimare il comportamento di un operatore. La risposta del regolatore viene valutata sia in una giornata invernale che in una giornata estiva. Viene inoltre studiato l'effetto del regolatore rispetto alla produzione totale del PTPP. Un piccolo miglioramento della potenza totale progettata del PTPP si ottiene mediante la regolazione della temperatura di uscita del collettore. Valenzuela et al.38. ha descritto un PTPP operante in modalità una tantum utilizzando regolatori feedforward e PI durante le giornate limpide e le variazioni a breve termine del DNI. A questo scopo, è stata scelta una configurazione con uso parziale di regolatori convenzionali poiché gli operatori PTPP hanno esperienza nell'uso di questo tipo di regolatori regolando le impostazioni del regolatore in base a varie situazioni che influenzano la dinamica del PTPP e le prestazioni del regolatore, come cambiamenti nella progettazione del PTPP o modifiche apportate al sistema col tempo. In modalità stazionaria, i risultati indicano che è possibile mantenere tutti i set point anche durante i transitori a breve termine del DNI. Mentre in caso di periodi prolungati di gradienti DNI, è difficile mantenere la temperatura del vapore. Camacho et al.39 hanno esaminato diverse tecnologie di autocontrollo impiegate prima del 2007 per regolare la temperatura di uscita di SF con collettori dispersi. È stata presentata una categorizzazione dei concetti di modellazione e regolamentazione per illustrare le caratteristiche più importanti associate ai vari approcci. Felhoff et al.40 hanno sviluppato due tipi principali di modelli instabili basati sulla generazione diretta di vapore (DSG) nel PTPP. Innanzitutto è stato sviluppato un modello a elementi finiti discretizzati (DFEM) per fornire una descrizione più dettagliata delle caratteristiche del PTPP e una spiegazione del comportamento del PTPP. Inoltre, è possibile applicare un secondo modello a confini mobili (MBM) che combina input concentrati e dati dispersi per prevedere il comportamento del PTPP. Viene fornito un confronto tra entrambi i modelli con i risultati effettivi, con variazioni per diversi parametri di sistema. È stato dimostrato che la risposta alle perturbazioni locali all'interno del percorso di evaporazione non è ben replicata dall'MBM. Tuttavia, l’MBM offre vantaggi di calcolo significativi se si presuppone che l’irradianza sull’intero SF sia identica. DFEM è consigliato per analizzare le influenze locali, derivare funzioni di trasferimento o fornire una comprensione più approfondita delle proprietà del sistema. Biencinto et al.41 hanno implementato un modello quasi dinamico mediante il software ambientale TRNSYS di un PTPP da 38,5 MW con DSG utilizzando gli approcci raccomandati e hanno confrontato la produzione di energia annuale. Secondo i risultati presentati in tale analisi, si è riscontrato che l’applicazione di un approccio a pressione variabile per il controllo della pressione del vapore nel PTPP con DSG era più vantaggiosa dell’approccio a pressione fissa per quanto riguarda la produzione di energia netta. Biencinto et al.42 hanno descritto un progetto innovativo per un PTPP che coinvolge collettori ad ampia apertura in cui la CO2 in uno stato supercritico (sCO2) viene scelta come mezzo operativo e il sale fuso viene utilizzato come fluido di accumulo termico. Inoltre, viene presentata una costruzione modulare del campo solare, che riduce la necessità di ventilatori e scambiatori di calore riducendo al minimo il circuito idraulico del sale fuso. Viene effettuato un confronto tra le prestazioni annuali previste del nuovo approccio e le prestazioni di un PTPP di riferimento che utilizza l'olio termico come HTF nell'SF. Due modelli di simulazione sono progettati nell'ambiente software TRNSYS per replicare il comportamento sia del PTPP nuovo che di quello di riferimento. Secondo i risultati di questo lavoro, il nuovo design del PTPP ha la capacità di fornire un miglioramento dell’efficienza annuale di circa lo 0,5% e di ridurre i costi energetici di circa il 6% rispetto al PTPP di riferimento.