Development of solar central receiver system model for dynamic process simulation
Tapani, Antton (2016)
Diplomityö
Tapani, Antton
2016
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019041812922
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019041812922
Tiivistelmä
Concentrated solar power (CSP) is an effective way of producing clean renewable energy, and the interest in utility scale installations is growing. However, the variable nature of solar energy makes predicting power plant performance challenging, which also makes new investments in the field risky. Full plant behaviour and project profitability can most effectively be understood through carefully conducted dynamic simulation off the entire facility.
The objective of this master's thesis is to develop an efficient computational model for solar central receiver systems, including heliostat field and the receiver system. The model is to be used in conjunction with the dynamic process simulation program Apros, owned and developed by VTT and Fortum. The presented model is composed of several individual component models, which can be considered separately from each other. A fast discrete ray tracing approximation is used to model the heliostat field's optical behaviour. This model uses approximation to reduce computing time while maintaining good accuracy. Atmospheric effects and receiver losses are accounted for by correlation models found in literature. The models are implemented as Apros components for convenient use within process simulations.
All individual parts of the model are shown to be working correctly and accurately, and the model performs well under Apros simulations. Although full system validation has not been performed, the model is considered accurate and usable. Keskittävä aurinkovoima (CSP) on tehokas tapa tuottaa puhdasta uusiutuvaa energiaa, ja kiinnostus uusien laitosten rakentamiselle on kasvussa. Aurinkovoiman muuttuva luonne kuitenkin tekee voimalaitosten suorituskyvyn ennakoimisen haastavaksi, mikä tekee kaupalliset investoinnit riskialtteiksi. Koko laitoksen dynaaminen simulointi on paras tapa tarkastella laitosten käyttäytymistä ja kannattavuutta.
Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää tehokas laskennallinen malli keskeisvastaanottimelle ja peilikentälle. Mallia käytetään yhdessä Apros voimalaitossimulointiohjelmiston kanssa. Apros-ohjelmistoa kehittävät VTT ja Fortum. Esitetty malli koostuu useasta itsenäisestä osamallista, joita voidaan käsitellä erillään toisistaan. Peilikentän optiikan mallinnukseen käytetään diskreettiä ray trace approksimaatiota. Tämä malli vähentää laskenta-aikaa likimääräistyksillä heikentämättä laskentatarkkuutta merkittävästi. Ilmakehän vaimentavia vaikutuksia ja vastaanottimen lämpöhäviöitä mallinnetaan kirjallisuudesta lainatuilla korrelaatiomalleilla. Mallit on toteutettu Apros-komponentteina, joiden käyttö simulaatioissa on vaivatonta.
Kaikkien osamallien todetaan toimivan oikein ja tarkasti, ja malli toimii tehokkaasti Apros simulaatioiden yhteydessä. Mallin täydellistä yhtenäistä validointia ei ole toteutettu, mutta mallia voidaan silti pitää tarkkana ja käyttökelpoisena.
The objective of this master's thesis is to develop an efficient computational model for solar central receiver systems, including heliostat field and the receiver system. The model is to be used in conjunction with the dynamic process simulation program Apros, owned and developed by VTT and Fortum. The presented model is composed of several individual component models, which can be considered separately from each other. A fast discrete ray tracing approximation is used to model the heliostat field's optical behaviour. This model uses approximation to reduce computing time while maintaining good accuracy. Atmospheric effects and receiver losses are accounted for by correlation models found in literature. The models are implemented as Apros components for convenient use within process simulations.
All individual parts of the model are shown to be working correctly and accurately, and the model performs well under Apros simulations. Although full system validation has not been performed, the model is considered accurate and usable.
Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää tehokas laskennallinen malli keskeisvastaanottimelle ja peilikentälle. Mallia käytetään yhdessä Apros voimalaitossimulointiohjelmiston kanssa. Apros-ohjelmistoa kehittävät VTT ja Fortum. Esitetty malli koostuu useasta itsenäisestä osamallista, joita voidaan käsitellä erillään toisistaan. Peilikentän optiikan mallinnukseen käytetään diskreettiä ray trace approksimaatiota. Tämä malli vähentää laskenta-aikaa likimääräistyksillä heikentämättä laskentatarkkuutta merkittävästi. Ilmakehän vaimentavia vaikutuksia ja vastaanottimen lämpöhäviöitä mallinnetaan kirjallisuudesta lainatuilla korrelaatiomalleilla. Mallit on toteutettu Apros-komponentteina, joiden käyttö simulaatioissa on vaivatonta.
Kaikkien osamallien todetaan toimivan oikein ja tarkasti, ja malli toimii tehokkaasti Apros simulaatioiden yhteydessä. Mallin täydellistä yhtenäistä validointia ei ole toteutettu, mutta mallia voidaan silti pitää tarkkana ja käyttökelpoisena.