RT Dissertation/Thesis
T1 Optimization of Solar Thermal Plants, Transient Analysis and Design of Eccentric Bayonet Receivers
A1 Pérez Álvarez, Rafael
AB Over recent decades, solar energy has gained a prominent position as an efficient way to produceelectricity from sustainable resources, reducing dependence on fossil fuels in the energy productionsector. One of the most promising solar technologies is Concentrating Solar Power (CSP). The operationof CSP plants is based on the use of mirrors that concentrate the sunlight onto an absorbing element.A heat transfer fluid circulates inside the absorbing element, collecting the heat and transferring it to apower cycle for electricity generation or to a relevant industrial heating application. The Solar PowerTower (SPT) is outstanding among current CSP technologies since it offers high thermal efficiencyand the possibility of extending hours of operation thanks to thermal storage, which provides stabilityand flexibility to electricity generation, compared to variable renewable energy technologies, such asphotovoltaic and wind energy. One of the most critical systems in SPT plants is the receiver, thedemanding operating conditions of which may reduce its lifespan drastically. Practical considerationsrelated to the maturing of these technologies and their operation mean they are far from realizing theirtheoretical potential exploitation. For this reason, it is necessary to continue developing this technology,reducing its cost compared to conventional technologies based on fossil resources and guaranteeing itoperates safely. This doctoral thesis aims to contribute to optimizing SPT plants through a broad setof theoretical and simulation studies focused on improving tubular solar receivers. For this goal, thethesis develops a series of models and thermo-fluidic simulations (Computational Fluid Mechanics,CFD) as well as mechanical simulations (Finite Element Analysis, FEM) that take into account the mainheat transfer effects existing in the receiver tubes during their operation, in order to characterize theirthermo-mechanical behavior and analyze the most demanding situations for the receiver.Firstly, this doctoral dissertation numerically analyzes the preheating of an external tubular receiverthat operates with nitrate molten salt (i.e., solar salt), which is the type of heat transfer fluid (HTF)usually employed in external tubular receivers. For this study, two numerical models with differentdegrees of simplification were developed to analyze the temporal evolution of thermal stresses and thefatigue damage generated in the receiver tubes during their preheating. In particular, this analysis wascarried out for two receivers of different sizes, allowing the influence of the tube diameter on preheatingto be evaluated. The results show that, since the tubes are empty of solar salt during preheating, therear side of the tubes is heated mainly by circumferential heat conduction in tube walls. This explainswhy the maximum stresses of the receiver tubes, generated by the non-uniform temperature distributioninside the tube walls, are obtained during the first minutes of preheating and their values increase withthe tube’s diameter. The fatigue damage produced during preheating for the two receivers analyzedshows that their start-up is safe. Additionally, these models demonstrate that the preheating strategyallows sufficient temperature to be achieved to fill the receiver with nitrate salt without freezing risk.For the next generation of SPT plants, the use of supercritical CO2 Brayton cycles in the power blockforces us to work with temperatures above 700 ºC for an efficient operation of cycle. Due to the factthat the nitrate salt degrades above 600 ºC, alternative HTFs that withstand higher temperatures mustbe selected, such as molten carbonate and chloride salts. In this doctoral thesis, the creep and fatiguedamage and the feasibility of preheating a receiver for these high-temperature salts are studied. Theresults indicate that the receiver tubes can be preheated above the freezing temperature of these salts,which is higher than that of the nitrate salt. However, starting up high-temperature salt receivers entails a longer preheat time, reducing the plant’s operating time. This fact, combined with the larger heat lossesof the receiver due to its operation at a higher temperature, requires elevated efficiencies (i.e. <= 50%)of the power cycle to improve the overall efficiency of the electricity production of an SPT plant.In general, the majority of the thermal models of SPT receivers simplify the complex heat transferprocess through certain hypotheses. In this thesis, the validity of two of these hypotheses is analyzedusing three-dimensional numerical models with different degrees of simplification. These hypothesesare radial conduction in the tube walls and the use of a uniform convective coefficient, both axially andcircumferentially, for the nitrate salt inside the tubes. The results show that these hypotheses do notsignificantly affect the temperature distribution of tubes for the typical operating conditions of solarthermal receivers. In addition, this thesis demonstrates the need to model the mechanical propertiesof the tube as temperature-dependent variables to accurately obtain the thermal stresses of the receivertubes and the damage associated with their operation, which is a crucial aspect in the receiver design.Finally, this doctoral dissertation evaluates, numerically and analytically, the thermal and mechanicalbehavior of a bayonet tube applied to external tubular receivers as an alternative to simple tube receivers.A bayonet tube is composed of two tubes, one inside the other, thus creating two sections, circular andannular, through which the molten salt of the receiver sequentially flows. The results obtained show thatthanks to this layout, the heat transfer of the molten salt inside the tube can be improved. Furthermore,the excessive overheating of the fluid is avoided since the heat absorbed by the outer tube is distributedbetween the flow of molten salt in the annular section and that of the circular section. As revealed bythe simulations carried out, this effect is accentuated by the eccentricity between the centers of the innerand outer tubes of the bayonet tube. This offers additional degrees of freedom, leading to an optimumin the thermomechanical behavior of the receiver. Nevertheless, this thesis shows that it is necessary tocombine the optimum designs with other technological and economic factors to make the bayonet tubereceivers competitive with respect to simple tube receivers commonly used in SPT plants.
AB La energía solar se ha posicionado en las últimas décadas como alternativa viable a los combustiblesfósiles en la generación de electricidad y producción de calor a escala industrial. Una de las tecnologíasmás prometedoras es la energía solar de concentración (Concentrating Solar power, CSP), la cual se basaen la concentración de la radiación solar en elementos absorbedores mediante espejos. Dichos elementosabsorbedores conforman el receptor solar y por su interior circula un fluido de trabajo encargado derecoger la radiación absorbida y transferirla en forma de energía térmica a un ciclo de potencia paraproducir electricidad o hacia la aplicación industrial pertinente. Las centrales termosolares de tipo torre(Solar Power Tower, SPT) destacan entre las tecnologías actuales de CSP ya que ofrecen una elevadaeficiencia térmica y la posibilidad de extender su funcionamiento mediante el uso de almacenamientotérmico, el cual proporciona firmeza y flexibilidad a la generación de energía eléctrica en contraposicióna las tecnologías de energía renovable intermitentes como las energías fotovoltaica y eólica. El receptorde las plantas SPT es uno de los elementos más críticos, debido a la elevada concentración de radiaciónque es reflejada en las paredes de los elementos absorbedores, normalmente tubos, y la corrosióngenerada por el fluido de trabajo. Debido a consideraciones prácticas relacionadas con la madurez dela tecnología y su operación, las centrales SPT todavía no han alcanzado su potencial y es necesariocontinuar desarrollando esta tecnología para reducir su coste y garantizar una operación segura. Esta tesisdoctoral pretende contribuir a la optimización de las centrales termosolares de tipo torre a través de unconjunto de estudios teóricos y de simulación enfocados a la mejora de los receptores solares tubulares.Para ello, la tesis desarrolla una serie de modelos y simulaciones fluidotérmicas (Computational FluidMechanics, CFD) además de mecánicas (Finite Element Analysis, FEM) que tienen en cuenta losprincipales mecanismos de transferencia de calor existentes en los tubos receptores durante su operaciónpara caracterizar su comportamiento termo-mecánico y analizar las situaciones más exigentes para elreceptor.En primer lugar, la tesis estudia numéricamente el precalentamiento de un receptor tubular externoque opera con sal fundida de nitrato (i.e. sal solar) que es el tipo de fluido de trabajo (Heat Transfer Fluid,HTF) más usado en estos receptores. Para dicho estudio se desarrollan dos modelos bidimensionalescon distintos grados de simplificación con el objetivo de analizar la evolución temporal de las tensionestérmicas y el daño a fatiga generado en los tubos receptores durante su precalentamiento. En particular,este análisis se realiza para dos receptores de distinto tamaño, lo que permite evaluar la influenciadel diámetro del tubo en el precalentamiento. Los resultados muestran que, debido a que durante elprecalentamiento los tubos se encuentran vacíos de sal solar, el calentamiento de la parte trasera delos tubos se realiza principalmente por medio de la conducción circunferencial del calor a través de lasparedes de los tubos, partiendo de la parte delantera en donde la temperatura es máxima. Este hechojustifica que las máximas tensiones en la pared del tubo, generadas por la no uniformidad existente ensu temperatura, se obtengan durante los primeros minutos del precalentamiento y se incrementen conel aumento del diámetro. El daño a fatiga obtenido durante el precalentamiento para los dos receptoresanalizados muestra que su arranque es totalmente seguro y permite alcanzar las temperaturas de parednecesarias para que no se congele la sal de nitrato una vez se introduzca. Sin embargo, en la próximageneración de centrales SPT, el uso de ciclos Brayton supercríticos de CO2 en el bloque de potenciaobliga a trabajar con temperaturas superiores a las 700ºC para una operación eficiente del dicho ciclo. Este hecho obliga a la selección de nuevos fluidos de trabajo que soporten mayores temperaturas talescomo las sales de carbonato o los cloruros fundidos, debido a que la sal de nitrato se degrada a partir de600ºC. En esta tesis doctoral, se analiza la viabilidad de precalentar un receptor para estas sales de altatemperatura calculando el daño infligido en los tubos. Los resultados obtenidos indican que los tubosdel receptor pueden precalentarse por encima de la temperatura de congelación de dichas sales, la cuales superior a la de la sal de nitrato. Sin embargo, el arranque de receptores para sales de alta temperaturaconlleva un mayor tiempo de precalentamiento, reduciendo el tiempo de operación de la planta. Esto,sumado a las mayores pérdidas del receptor por operar a mayor temperatura, hace necesario que losrendimientos del bloque de potencia sean elevados (i.e. <= 50%) si se desea mejorar la eficiencia globalde producción eléctrica de una planta SPT.Por lo general, las modelizaciones de los receptores solares están basados en modelos térmicossimplificados, sustentados bajo ciertas hipótesis que permiten simplificar parcialmente los complejosfenómenos de transferencia de calor involucrados en la operación del receptor. En esta tesis, se analizadala validez de dos de estas hipótesis mediante modelos numéricos tridimensionales con distinto gradode simplificación. Las hipótesis evaluadas son la conducción radial en las paredes del tubo y el usode un coeficiente convectivo uniforme, tanto axial como circunferencialmente, para la sal de nitratodentro de los tubos. Los resultados muestran que dichas hipótesis solo afectan sensiblemente a ladistribución de temperaturas para las condiciones de operación típicas de los receptores termosolares.Además, se muestra que en los modelos es importante retener la dependencia con la temperatura delas propiedades mecánicas del material para obtener con suficiente precisión una estimación de lastensiones que soportan los tubos del receptor y del daño mecánico de los mismos, aspecto crucial parasu adecuado diseño.Finalmente, la tesis evalúa numérica y analíticamente el comportamiento térmico y mecánico de lostubos bayoneta en su aplicación a receptores tubulares de torre y como alternativa al uso de receptoresde tubos simples. Un tubo bayoneta está formado por dos tubos, uno dentro del otro, creando así dossecciones una circular y otra anular que son recorridas secuencialmente por la sal fundida del receptor.Los resultados obtenidos demuestran que, gracias a esta disposición, se puede mejorar la transferenciade calor de la sal fundida en el interior del tubo. Además, se evita el excesivo sobrecalentamiento delfluido ya que el calor absorbido por el tubo exterior se distribuye entre el flujo de sal fundida de la secciónanular y el de la sección circular. Según revelan las simulaciones realizadas, este efecto es acentuadocon la excentricidad entre centros de los tubos interior y exterior del tubo bayoneta, ofreciendo gradosde libertad adicionales que dan lugar a un óptimo en el comportamiento termomecánico del receptor.Sin embargo, la tesis muestra que es necesario conjugar dicho óptimo con otros factores de tipo técnicoy económico para que el uso de receptores de tubo bayoneta sea competitivo frente a los receptores detubo simple convencionalmente usados en plantas SPT.
YR 2021
FD 2021-09
LK https://hdl.handle.net/10016/33461
UL https://hdl.handle.net/10016/33461
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
NO Esta tesis doctoral ha sido desarrollada gracias al apoyo económico del Ministerio deEconomía, Industria y Competitividad a través de "Ayudas para contratos predoctorales parala formación de doctores" (BES-2016-078455).
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RD 1 sept. 2024