Model-based design of solar thermal power plants

Abstract

This thesis studies the dynamics of parabolic trough power plants (PTPPs) with the objective of optimizing their performance. The present study delves into the complexities of heat transfer flow within these power plants, by developing mathematical models to and a balance between comprehensive descriptions of physical phenomena and computational effciency.

The use of various heat transfer fluids (HTFs) within the PTPPs, such as thermal oil, nanofluids and molten salt, is a major aspect of the investigation. Therminol VP-1, a type of thermal oil, is initially used in a complete thermo-fluid model of a network system with spatio-temporal dependency that is derived following various asymptotic processes that simplifies the model significantly.

Concerning nanofluids, the integration of nanoparticles into a basefluid, usually thermal oil, allows the simulation of the effects of different nanoparticles such as Copper Oxide, Alumina, and Titanium Oxide. This research aims to analyze the nanofluids impact on the thermal performance and energy efficiency. Results obtained from NOOR I power plant in Morocco reveal that adding nanoparticles, even in small volume fractions, enhances both energetic and exergetic efficiencies. Such enhancement however, is accompanied by a slight increase in friction loss.

This study further examines the use of molten salt as an alternative HTF in PTPPs. A network-based mathematical model is introduced to describe the fluid dynamics of molten salt in the solar field of these plants. The data collected from NOOR I power plant is utilized in the creation of simulations that closely replicate real-world scenarios, emphasizing the advantages of this approach over traditional single-collector models.

In addition to modeling, the thesis delves into optimization techniques to enhance the thermal efficiency of PTPPs. The formulation of optimization problems and the employment of suitable control variables serve the purpose of maximizing the energy output of parabolic solar systems. Parameter studies based on the application of optimization algorithm to the presented models demonstrate a promising boost to the thermal output of PTPPs.

The thesis also comprises various simplified simulation models that are presented and compared for single-pipe case, row of series-connected PTCs, and larger network configurations resembling real-world solar fields as in the case of NOOR I power plant. Each case study provides valuable insights into computational costs associated with different models, shedding light on optimal approaches for modeling and simulating PTPPs.

Ultimately, this thesis offers a comprehensive understanding of modeling, simulation, and optimization of PTPPs, highlighting the potential of network-based models using advanced types of HTFs that would immensely enhance the efficiency of these power plants.

Diese Arbeit untersucht die Dynamik von Parabolrinnenkraftwerken (PTPPs) mit dem Ziel, deren Leistung zu optimieren. Die vorliegende Studie befasst sich mit der Komplexität des Wärmeübertragungsflusses in diesen Kraftwerken, indem mathematische Modelle entwickelt werden, um einen Kompromiss zwischen umfassenden Beschreibungen physikalischer Phänomene und Recheneffizienz zu finden.

Der Einsatz verschiedener Wärmeübertragungsflüssigkeiten (HTFs) innerhalb der PTPPs, wie Spezialöle, Nanofluide und geschmolzenes Salz, ist ein wichtiger Aspekt der Untersuchung. Therminol VP-1, ein Spezialöl, wird zunächst in einem komplexen Thermofluidmodell eines Netzwerksystems mit räumlich-zeitlicher Abhängigkeit verwendet. Verschiedene asymptotische Prozessen vereinfachen das Modell erheblich.

Bei Nanoflüssigkeiten ermöglicht die Integration von Nanopartikeln in eine Grundflüssigkeit, in der Regel Thermonol VP-1, die Simulation der Auswirkungen verschiedener Nanopartikel wie Kupferoxid, Aluminiumoxid und Titanoxid. Ziel dieser Forschung ist es, die Auswirkungen von Nanoflüssigkeiten auf die thermische Leistung und Energieeffizienz zu analysieren. Ergebnisse des Kraftwerks NOOR I in Marokko zeigen, dass die Zugabe von Nanopartikeln, selbst in kleinen Volumenanteilen, sowohl die energetische als auch die exergetische Effizienz steigert. Eine solche Verbesserung geht jedoch mit einem leichten Anstieg des Reibungsverlusts einher.

Diese Studie untersucht weiter die Verwendung von geschmolzenem Salz als alternatives HTF in PTPPs. Zur Beschreibung der Fluiddynamik geschmolzenen Salzes im Solarfeld dieser Anlagen wird ein netzwerkbasiertes mathematisches Modell eingeführt. Die vom Kraftwerk NOOR I gesammelten Daten werden zur Erstellung von Simulationen genutzt, die reale Szenarien genau nachbilden und die Vorteile dieses Ansatzes gegenüber herkömmlichen Einzelkollektormodellen hervorheben.

Zusätzlich zur Modellierung befasst sich die Arbeit mit Optimierungstechniken zur Verbesserung der thermischen Effizienz von PTPPs. Die Formulierung von Optimierungsproblemen und der Einsatz geeigneter Steuergrößen dienen der Maximierung der Energieausbeute parabolischer Solaranlagen. Parameterstudien, die auf der Anwendung von Optimierungsalgorithmen auf die vorgestellten Modelle basieren, zeigen eine vielversprechende mögliche Steigerung der Wärmeleistung von PTPPs.

Die Arbeit umfasst auch verschiedene vereinfachte Simulationsmodelle, die für den Fall eines Einzelrohrs, einer Reihe in Reihe geschalteter PTCs und größerer Netzwerkkonfigurationen, die realen Solarfeldern ähneln, wie im Fall des Kraftwerks NOOR I, vorgestellt und verglichen werden. Jede Fallstudie liefert wertvolle Einblicke in die mit verschiedenen Modellen verbundenen Rechenkosten und gibt Aufschluss über optimale Ansätze zur Modellierung und Simulation von PTPPs.

Letztendlich bietet diese Arbeit ein umfassendes Verständnis der Modellierung, Simulation und Optimierung von PTPPs und unterstreicht das Potenzial netzwerkbasierter Modelle unter Verwendung fortschrittlicher Arten von HTFs, die die Effizienz dieser Kraftwerke enorm steigern können.