Direct coupling of pressurized gas receiver to a brayton supercritical CO2 power cycle in solar thermal power plants

Abstract

Tres diseños de ciclos de potencia de CO2 supercrítico Brayton acoplados directamente al receptor se proponen para las plantas solares de Generación 3: recompresión convencional, recompresión con enfriamiento parcial y recompresión con intercooling. Para lograr el acoplamiento directo, el calor solar se introduce aguas abajo de la turbina, donde la presión del CO2 es más baja. Un aumento en la temperatura reduce las dimensiones del receptor, lo que aumenta su eficiencia energética. También reduce la temperatura promedio de funcionamiento, ya que la temperatura máxima está fijada en 700 °C, disminuyendo así las pérdidas. Sin embargo, la eficiencia óptica disminuye a medida que se reducen las dimensiones del receptor. Tanto los diseños con intercooling como con enfriamiento parcial aumentan aún más la eficiencia neta del ciclo, lo que reduce el tamaño del receptor, siguiendo tendencias similares a las observadas con el aumento de la temperatura. Al considerar todos estos efectos, diversos factores empujan en direcciones opuestas, afectando la eficiencia general y los costos. Este juego competitivo da como resultado eficiencias generales que van del 30,26 % al 31,58 % y Costos Nivelados de Electricidad (LCOE) entre 162,47 €/MWh y 166,81 €/MWh. En conclusión, se logran resultados similares en términos de energía y economía con los tres diseños, lo que sugiere que el diseño más simple (recompresión) es el más recomendable. Si se incorpora almacenamiento térmico, el enfriamiento parcial se vuelve preferible debido a su aumento significativo en la elevación de temperatura del receptor.

Three layouts of Brayton supercritical CO2 power cycles directly coupled to the receiver are proposed for Generation 3 solar power plants: conventional recompression, recompression with partial cooling, and recompression with intercooling. To achieve direct coupling, the solar heat is introduced downstream of the turbine, where CO2 pressure is lower. A higher temperature rise diminishes the receiver's dimensions, thus increasing its energy efficiency. It also lowers the average working temperature since the maximum temperature is fixed at 700 °C, thereby reducing losses. However, optical efficiency decreases as the receiver size diminishes. Both intercooling and partial cooling layouts further increase the cycle's net efficiency, which reduces the receiver's size, following similar trends observed with an increase in temperature rise. Considering all these effects, various factors push in opposite directions, affecting overall efficiency and costs. This competitive interplay results in overall efficiencies ranging from 30.26 % to 31.58 % and Levelized Costs of Electricity (LCOEs) between 162.47 €/MWh and 166.81 €/MWh. In conclusion, similar outcomes in terms of energy and economics are achieved with the three layouts, suggesting the simplest layout (recompression) as the most advisable. If thermal storage is incorporated, partial cooling becomes preferable due to its significant increase in the receiver's temperature rise. © 2024 The Authors