Optimization of Solar Thermal Plants, Transient Analysis and Design of Eccentric Bayonet Receivers

Mención Internacional en el título de doctorOver recent decades, solar energy has gained a prominent position as an efficient way to produce electricity from sustainable resources, reducing dependence on fossil fuels in the energy production sector. One of the most promising solar technologies is Concentrating Solar Power (CSP). The operation of 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 a power cycle for electricity generation or to a relevant industrial heating application. The Solar Power Tower (SPT) is outstanding among current CSP technologies since it offers high thermal efficiency and the possibility of extending hours of operation thanks to thermal storage, which provides stability and flexibility to electricity generation, compared to variable renewable energy technologies, such as photovoltaic and wind energy. One of the most critical systems in SPT plants is the receiver, the demanding operating conditions of which may reduce its lifespan drastically. Practical considerations related to the maturing of these technologies and their operation mean they are far from realizing their theoretical 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 it operates safely. This doctoral thesis aims to contribute to optimizing SPT plants through a broad set of theoretical and simulation studies focused on improving tubular solar receivers. For this goal, the thesis 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 main heat transfer effects existing in the receiver tubes during their operation, in order to characterize their thermo-mechanical behavior and analyze the most demanding situations for the receiver. Firstly, this doctoral dissertation numerically analyzes the preheating of an external tubular receiver that 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 different degrees of simplification were developed to analyze the temporal evolution of thermal stresses and the fatigue damage generated in the receiver tubes during their preheating. In particular, this analysis was carried out for two receivers of different sizes, allowing the influence of the tube diameter on preheating to be evaluated. The results show that, since the tubes are empty of solar salt during preheating, the rear side of the tubes is heated mainly by circumferential heat conduction in tube walls. This explains why the maximum stresses of the receiver tubes, generated by the non-uniform temperature distribution inside the tube walls, are obtained during the first minutes of preheating and their values increase with the tube’s diameter. The fatigue damage produced during preheating for the two receivers analyzed shows that their start-up is safe. Additionally, these models demonstrate that the preheating strategy allows 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 block forces us to work with temperatures above 700 ºC for an efficient operation of cycle. Due to the fact that the nitrate salt degrades above 600 ºC, alternative HTFs that withstand higher temperatures must be selected, such as molten carbonate and chloride salts. In this doctoral thesis, the creep and fatigue damage and the feasibility of preheating a receiver for these high-temperature salts are studied. The results 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 losses of 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 transfer process through certain hypotheses. In this thesis, the validity of two of these hypotheses is analyzed using three-dimensional numerical models with different degrees of simplification. These hypotheses are radial conduction in the tube walls and the use of a uniform convective coefficient, both axially and circumferentially, for the nitrate salt inside the tubes. The results show that these hypotheses do not significantly affect the temperature distribution of tubes for the typical operating conditions of solar thermal receivers. In addition, this thesis demonstrates the need to model the mechanical properties of the tube as temperature-dependent variables to accurately obtain the thermal stresses of the receiver tubes 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 mechanical behavior 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 and annular, through which the molten salt of the receiver sequentially flows. The results obtained show that thanks 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 distributed between the flow of molten salt in the annular section and that of the circular section. As revealed by the simulations carried out, this effect is accentuated by the eccentricity between the centers of the inner and outer tubes of the bayonet tube. This offers additional degrees of freedom, leading to an optimum in the thermomechanical behavior of the receiver. Nevertheless, this thesis shows that it is necessary to combine the optimum designs with other technological and economic factors to make the bayonet tube receivers competitive with respect to simple tube receivers commonly used in SPT plants.La energía solar se ha posicionado en las últimas décadas como alternativa viable a los combustibles fósiles en la generación de electricidad y producción de calor a escala industrial. Una de las tecnologías más prometedoras es la energía solar de concentración (Concentrating Solar power, CSP), la cual se basa en la concentración de la radiación solar en elementos absorbedores mediante espejos. Dichos elementos absorbedores conforman el receptor solar y por su interior circula un fluido de trabajo encargado de recoger la radiación absorbida y transferirla en forma de energía térmica a un ciclo de potencia para producir 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 elevada eficiencia térmica y la posibilidad de extender su funcionamiento mediante el uso de almacenamiento térmico, el cual proporciona firmeza y flexibilidad a la generación de energía eléctrica en contraposición a las tecnologías de energía renovable intermitentes como las energías fotovoltaica y eólica. El receptor de las plantas SPT es uno de los elementos más críticos, debido a la elevada concentración de radiación que es reflejada en las paredes de los elementos absorbedores, normalmente tubos, y la corrosión generada por el fluido de trabajo. Debido a consideraciones prácticas relacionadas con la madurez de la tecnología y su operación, las centrales SPT todavía no han alcanzado su potencial y es necesario continuar desarrollando esta tecnología para reducir su coste y garantizar una operación segura. Esta tesis doctoral pretende contribuir a la optimización de las centrales termosolares de tipo torre a través de un conjunto 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 Fluid Mechanics, CFD) además de mecánicas (Finite Element Analysis, FEM) que tienen en cuenta los principales mecanismos de transferencia de calor existentes en los tubos receptores durante su operación para caracterizar su comportamiento termo-mecánico y analizar las situaciones más exigentes para el receptor. En primer lugar, la tesis estudia numéricamente el precalentamiento de un receptor tubular externo que 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 bidimensionales con distintos grados de simplificación con el objetivo de analizar la evolución temporal de las tensiones térmicas 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 influencia del diámetro del tubo en el precalentamiento. Los resultados muestran que, debido a que durante el precalentamiento los tubos se encuentran vacíos de sal solar, el calentamiento de la parte trasera de los tubos se realiza principalmente por medio de la conducción circunferencial del calor a través de las paredes de los tubos, partiendo de la parte delantera en donde la temperatura es máxima. Este hecho justifica que las máximas tensiones en la pared del tubo, generadas por la no uniformidad existente en su temperatura, se obtengan durante los primeros minutos del precalentamiento y se incrementen con el aumento del diámetro. El daño a fatiga obtenido durante el precalentamiento para los dos receptores analizados muestra que su arranque es totalmente seguro y permite alcanzar las temperaturas de pared necesarias para que no se congele la sal de nitrato una vez se introduzca. Sin embargo, en la próxima generación de centrales SPT, el uso de ciclos Brayton supercríticos de CO2 en el bloque de potencia obliga 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 tales como las sales de carbonato o los cloruros fundidos, debido a que la sal de nitrato se degrada a partir de 600ºC. En esta tesis doctoral, se analiza la viabilidad de precalentar un receptor para estas sales de alta temperatura calculando el daño infligido en los tubos. Los resultados obtenidos indican que los tubos del receptor pueden precalentarse por encima de la temperatura de congelación de dichas sales, la cual es superior a la de la sal de nitrato. Sin embargo, el arranque de receptores para sales de alta temperatura conlleva 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 los rendimientos del bloque de potencia sean elevados (i.e. <= 50%) si se desea mejorar la eficiencia global de producción eléctrica de una planta SPT. Por lo general, las modelizaciones de los receptores solares están basados en modelos térmicos simplificados, sustentados bajo ciertas hipótesis que permiten simplificar parcialmente los complejos fenómenos de transferencia de calor involucrados en la operación del receptor. En esta tesis, se analizada la validez de dos de estas hipótesis mediante modelos numéricos tridimensionales con distinto grado de simplificación. Las hipótesis evaluadas son la conducción radial en las paredes del tubo y el uso de un coeficiente convectivo uniforme, tanto axial como circunferencialmente, para la sal de nitrato dentro de los tubos. Los resultados muestran que dichas hipótesis solo afectan sensiblemente a la distribución 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 de las propiedades mecánicas del material para obtener con suficiente precisión una estimación de las tensiones que soportan los tubos del receptor y del daño mecánico de los mismos, aspecto crucial para su adecuado diseño. Finalmente, la tesis evalúa numérica y analíticamente el comportamiento térmico y mecánico de los tubos bayoneta en su aplicación a receptores tubulares de torre y como alternativa al uso de receptores de tubos simples. Un tubo bayoneta está formado por dos tubos, uno dentro del otro, creando así dos secciones 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 transferencia de calor de la sal fundida en el interior del tubo. Además, se evita el excesivo sobrecalentamiento del fluido ya que el calor absorbido por el tubo exterior se distribuye entre el flujo de sal fundida de la sección anular y el de la sección circular. Según revelan las simulaciones realizadas, este efecto es acentuado con la excentricidad entre centros de los tubos interior y exterior del tubo bayoneta, ofreciendo grados de 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 técnico y económico para que el uso de receptores de tubo bayoneta sea competitivo frente a los receptores de tubo simple convencionalmente usados en plantas SPT.Esta tesis doctoral ha sido desarrollada gracias al apoyo económico del Ministerio de Economía, Industria y Competitividad a través de "Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores" (BES-2016-078455).Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Manuel Jesús Blanco Muriel.- Secretario:Celia Sobrino Fernández.- Vocal: Antonio Luis Ávila Marí