Proposal of a new design of source heat exchanger for the technical feasibility of solar thermal plants coupled to supercritical power cycles

Abstract

Las centrales térmicas solares acopladas a ciclos supercríticos de CO2 parecen ser una forma de aumentar la eficiencia global de la energía solar a la eléctrica. Para ello, la tecnología solar de concentración que mejor se integra es el receptor central de sales fundidas con un almacenamiento de energía térmica asociado. Este trabajo se centra en uno de los principales desafíos de este esquema: el intercambiador de calor de la fuente que transfiere la energía térmica de la sal fundida en el campo solar al CO2 en el ciclo de potencia. Se propone un nuevo diseño, basado en la tecnología del intercambiador de calor de circuito impreso, que soporta la diferencia de presión y evita el taponamiento de la sal fundida cuando circula por los microcanales. También se calcula el modelo termomecánico de este intercambiador de calor.

Este trabajo también aborda una optimización termo-económica del intercambiador de calor de circuito impreso propuesto. Para ello, se considera el rendimiento global de la planta termosolar para tres disposiciones: recompresión, interrefrigeración y ciclos de enfriamiento parcial. Esta optimización permite una gran reducción del coste de inversión de estos intercambiadores de calor de fuente, consiguiendo el menor coste en la configuración de enfriamiento parcial, seguido de la interrefrigeración y finalmente, la recompresión. Esta tendencia también se observa en el rendimiento global de la planta solar, por lo que la disposición de enfriamiento parcial es la que tiene el menor coste normalizado de electricidad; este valor es similar al de la disposición de interrefrigeración, y ambos están muy por debajo del coste en la disposición de recompresión, que resulta la configuración más cara.

Solar thermal power plants coupled to supercritical CO2 cycles seems to be a way to increase the global solar-to-electric efficiency. For that, the concentrating solar technology that is best integrated is the molten salt central receiver with a thermal energy storage associated. This work is focused on one of the main challenges of this scheme: the source heat exchanger transferring the thermal energy from the molten salt in the solar field to the CO2 in the power cycle. A new design, based on the printed circuit heat exchanger technology is proposed, that withstands the pressure difference and avoids the molten salt plugging when circulating through microchannels. The thermo-mechanic model of this heat exchanger is also calculated.

This work also addresses a thermo-economic optimization of the printed circuit heat exchanger proposed. For that, it is considered the global performance of the solar thermal plant for three layouts: recompression, intercooling and partial-cooling cycles. This optimization yields to a great reduction in the investment cost of these source heat exchangers, achieving the lowest cost in the partial-cooling configuration, followed by the intercooling and finally, the recompression. This trend is also observed in the global performance of the solar plant, so the partial-cooling layout is the one with the lowest levelized cost of electricity; this value is similar to that of the intercooling layout, and both are well below from the cost in the recompression layout, which results the most expensive configuration.