Publication: Thermo-mechanical modelling to evaluate solar receiver damage
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Publication date
2021-07
Defense date
2021-07-15
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Abstract
Seeking for greener alternatives to decrease the dependence on fossil fuels, one
of the main challenges faced is their variability due to the ambient conditions.
Among the renewable options, some concentrating solar power technologies can
integrate thermal storage systems; this increases their cost but results in firm
and flexible plants, able to dispatch energy even during solar resource interruptions.
In this regard, solar power tower plants working with molten salt allow a
direct integration of such thermal storage, coupled to a conventional subcritical
Rankine cycle. However, the solar tower receiver is one of the most critical
subsystems, working under extremely demanding conditions: high uneven heat
fluxes and cyclic operation due to diurnal cycles and cloud passages. These can
jeopardize its reliability, being necessary to improve their design and operation
to diminish such risk and thus make the whole plant more economically appealing.
The fist step in that path is to determine the temperature on the receiver
tubes, which can result in a task with a high computational cost since it varies
with the sun position and the DNI. Then, the elastic stresses and strains distribution
on the receiver tubes can be obtained. Finally, the receiver lifetime
estimation can be performed, considering the creep and fatigue damages. With
that in mind, this thesis comprehends:
The development of a low computational cost model to obtain the temperature
distribution on the receiver tubes, discretized in circumferential and axial
divisions, taking into account the multiple reflections and emissions happening
on the receiver surfaces. This thermal model integrates an exergy one, allowing
to explore opportunities to enhance the receiver performance.
Then, a low computational cost model is proposed to calculate the elastic
stresses and strains on the receiver, based on the thermal forces and moments
on the tubes. It considers the temperature dependence of the tubes material
properties and allows to study different mechanical boundary conditions such
as the tube free bending, the inclusion of intermediate supports, and even an
infinite number of them (generalized plane strain scenario).
Lastly, the creep and fatigue damages on the receiver, and the subsequent
lifetime results, are investigated. For that end, the receiver thermal and mechanical
restrictions are watched, ensuring not surpassing the film temperature
limit, to avoid accelerated corrosion, and the stress reset limit, that would prevent the desirable global stress relaxation. The damage analysis allows us to
determine the most suitable alloy alternative for the receiver tubes manufacturing,
considering their lifetime prospects and power production potential to
perform an economic study. Then, the most adequate time discretization for
the damage analysis is examined during a clear-sky day, regarding the accuracy
of the results and the computational cost and taking into account the
receiver hours of operation required for the thermal energy storage system filling.
Moreover, the results obtained when selecting several days throughout the
year instead of just a representative one are also investigated. Subsequently,
the influence of the cloud passages and hazy days is determined, showing that
fatigue damage has a less relevant role than the creep one in the resulting receiver
lifetime. Fatigue is mainly affected by multiple star-ups during the day,
being the effects of small cloud transients negligible. In high energy days, which
are the most common ones at the location studied–as should be for any suitable
location for concentrating solar technologies–, the long operating of the receiver
favors high creep levels.
Uno de los principales retos en la búsqueda de alternativas renovables con el fin de reducir la dependencia de los combustibles fósiles es la variabilidad de las fuentes de energía renovables. Entre las opciones renovables, algunas tecnologías de concentración solar pueden integrar sistemas de almacenamiento térmico; estos incrementan su coste, pero dan lugar a plantas firmes y flexibles, capaces de proporcionar energía incluso en períodos de interrupción del recurso solar. En este sentido, las plantas termosolares tipo torre trabajando con sales fundidas permiten la integración directa del sistema de almacenamiento, acoplado a un ciclo de Rankine subcrítico convencional. Sin embargo, el receptor de torre es uno de los subsistemas más críticos, trabajando en condiciones extremadamente exigentes: altos flujos de calor no uniformes y una operación cíclica causada por la alternancia de periodos diurnos y nocturnos así como por los pasos de nubes. Estos pueden hacer peligrar su fiabilidad, siendo necesario mejorar su diseño y operación para reducir tal riesgo y hacer que el conjunto de la planta sea económicamente más atractivo. El primer paso hacia esa meta consiste en determinar la temperatura en los tubos que integran el receptor, lo que puede ser una tarea computacionalmente costosa ya que depende de la radiación directa y la posición del sol. Tras ello, la distribución de tensiones y deformaciones elásticas en los tubos puede obtenerse. Finalmente, esto permite llevar a cabo una estimación del tiempo de vida del receptor, teniendo en cuenta los daños por fluencia lenta y fatiga. Con todo esto, la presente tesis doctoral comprende: El desarrollo de un modelo de bajo coste computacional para obtener la distribución de temperaturas en los tubos del receptor, discretizados en divisiones circunferenciales y axiales, y teniendo en cuenta los múltiples intercambios radiativos que ocurren en las superficies del receptor. Tal modelo térmico integra un análisis exergético, permitiendo explorar las posibles oportunidades de mejora de la eficiencia del receptor. A continuación, se propone un modelo, también de bajo coste computacional, para calcular las tensiones y deformaciones elásticas causadas por las fuerzas y momentos térmicos presentes en los tubos. El modelo tiene en cuenta la dependencia de la temperatura de las propiedades del material de los tubos y permite estudiar distintas alternativas para las condiciones de contorno mecánicas, como la flexión libre del tubo, la inclusión de apoyos intermedios e incluso un número infinito de ellos (condición de deformación plana generalizada). Para concluir, se investigan los daños por fluencia lenta y fatiga en el receptor, así como el tiempo de vida resultante. Para ello, se tienen en cuenta las restricciones térmicas y mecánicas del receptor, garantizando temperaturas de película por debajo de la admisible (para evitar una corrosión acelerada) y tensiones por debajo del límite de restablecimiento de tensiones, que impedirían la relajación de tensiones, deseable ante tan altas tensiones y temperaturas en los tubos. El análisis de daños nos permite determinar la aleación más adecuada para la fabricación de los tubos del receptor, teniendo en cuenta su vida útil esperada, sus costes y la potencia térmica que permiten otorgar al receptor para realizar un estudio económico. Tras esto, se estudia cuál es la discretización temporal óptima para el análisis de daños, considerando la precisión en los resultados y el coste computacional, así como el impacto de utilizar varios días a lo largo del año en lugar de un único representativo. Finalmente, se investiga la influencia del paso de nubes y de los días brumosos en el daño del receptor, mostrando que el daño por fatiga tiene un menor peso que el daño por fluencia lenta. El daño por fatiga está afectado en su mayor parte por los arranques diarios, siendo despreciables los efectos de los pequeños pasos de nubes. Durante los días de alto nivel de energía, los más frecuentes en la localización estudiada, como cabría esperar de cualquier localización adecuada para este tipo de tecnologías, las largas horas de operación favorecen altos niveles de daño por fluencia lenta.
Uno de los principales retos en la búsqueda de alternativas renovables con el fin de reducir la dependencia de los combustibles fósiles es la variabilidad de las fuentes de energía renovables. Entre las opciones renovables, algunas tecnologías de concentración solar pueden integrar sistemas de almacenamiento térmico; estos incrementan su coste, pero dan lugar a plantas firmes y flexibles, capaces de proporcionar energía incluso en períodos de interrupción del recurso solar. En este sentido, las plantas termosolares tipo torre trabajando con sales fundidas permiten la integración directa del sistema de almacenamiento, acoplado a un ciclo de Rankine subcrítico convencional. Sin embargo, el receptor de torre es uno de los subsistemas más críticos, trabajando en condiciones extremadamente exigentes: altos flujos de calor no uniformes y una operación cíclica causada por la alternancia de periodos diurnos y nocturnos así como por los pasos de nubes. Estos pueden hacer peligrar su fiabilidad, siendo necesario mejorar su diseño y operación para reducir tal riesgo y hacer que el conjunto de la planta sea económicamente más atractivo. El primer paso hacia esa meta consiste en determinar la temperatura en los tubos que integran el receptor, lo que puede ser una tarea computacionalmente costosa ya que depende de la radiación directa y la posición del sol. Tras ello, la distribución de tensiones y deformaciones elásticas en los tubos puede obtenerse. Finalmente, esto permite llevar a cabo una estimación del tiempo de vida del receptor, teniendo en cuenta los daños por fluencia lenta y fatiga. Con todo esto, la presente tesis doctoral comprende: El desarrollo de un modelo de bajo coste computacional para obtener la distribución de temperaturas en los tubos del receptor, discretizados en divisiones circunferenciales y axiales, y teniendo en cuenta los múltiples intercambios radiativos que ocurren en las superficies del receptor. Tal modelo térmico integra un análisis exergético, permitiendo explorar las posibles oportunidades de mejora de la eficiencia del receptor. A continuación, se propone un modelo, también de bajo coste computacional, para calcular las tensiones y deformaciones elásticas causadas por las fuerzas y momentos térmicos presentes en los tubos. El modelo tiene en cuenta la dependencia de la temperatura de las propiedades del material de los tubos y permite estudiar distintas alternativas para las condiciones de contorno mecánicas, como la flexión libre del tubo, la inclusión de apoyos intermedios e incluso un número infinito de ellos (condición de deformación plana generalizada). Para concluir, se investigan los daños por fluencia lenta y fatiga en el receptor, así como el tiempo de vida resultante. Para ello, se tienen en cuenta las restricciones térmicas y mecánicas del receptor, garantizando temperaturas de película por debajo de la admisible (para evitar una corrosión acelerada) y tensiones por debajo del límite de restablecimiento de tensiones, que impedirían la relajación de tensiones, deseable ante tan altas tensiones y temperaturas en los tubos. El análisis de daños nos permite determinar la aleación más adecuada para la fabricación de los tubos del receptor, teniendo en cuenta su vida útil esperada, sus costes y la potencia térmica que permiten otorgar al receptor para realizar un estudio económico. Tras esto, se estudia cuál es la discretización temporal óptima para el análisis de daños, considerando la precisión en los resultados y el coste computacional, así como el impacto de utilizar varios días a lo largo del año en lugar de un único representativo. Finalmente, se investiga la influencia del paso de nubes y de los días brumosos en el daño del receptor, mostrando que el daño por fatiga tiene un menor peso que el daño por fluencia lenta. El daño por fatiga está afectado en su mayor parte por los arranques diarios, siendo despreciables los efectos de los pequeños pasos de nubes. Durante los días de alto nivel de energía, los más frecuentes en la localización estudiada, como cabría esperar de cualquier localización adecuada para este tipo de tecnologías, las largas horas de operación favorecen altos niveles de daño por fluencia lenta.
Description
Keywords
Concentrating solar power tower, Solar Energy, Solar central receivers, Creep-fatigue damage, Thermal and mechanical stresses, Exergy