A generation simulation tool for concentrated solar power with thermal energy storage

Abstract

A pesar de que la mayor parte de la producción energética actual es a través de combustibles fósiles, el sector de las energías renovables ha experimentado un importante auge en los últimos años. La conciencia de un cambio climático global debido al CO2 y otros contaminantes, así como el reconocimiento del problema ligado al agotamiento de los recursos fósiles podrían dar lugar a un cambio en la distribución de la red eléctrica tal como la conocemos. La energía solar se postula como una solución viable. Este documento centra su atención en la Energía Solar de Concentración (CSP), concretamente en la producida por centrales solares de torre central. La principal limitación para cualquier tipo de generación solar es el desfase que existe entre los patrones de demanda eléctrica y los de energía solar. Sin embargo, el crecimiento de los sistemas de almacenamiento térmico de energía (TES), plantea una solución práctica y hace que este recurso sea parcialmente despachable. La limitada flexibilidad de la energía solar se resuelve usando TES, en tanto que permite producir energía más allá del periodo del amanecer al atardecer. Nuestro objetivo es desarrollar una herramienta que permita simular una programación eficiente de la generación eléctrica de un sistema CSP con TES. No solamente debemos representar la variabilidad y la naturaleza cambiante de la energía solar, sino además la interacción entre el CSP y el resto de la red. Primero debemos recoger los datos de radiación directa normal (DNI) para una zona específica, y usar técnicas de clasificación (Clustering) que nos permitan establecer patrones. A partir de estos grupos construiremos nuestro modelo. Después, haciendo uso de conocimientos eléctricos y termodinámicos básicos continuaremos diseñando el modelo de CSP. A partir de ahí podremos resolver el problema de optimización, que en nuestro caso tratará de maximizar la producción eléctrica de la planta. Las conclusiones del estudio aseguran el correcto funcionamiento de nuestra herramienta, valoran las ventajas de contar con un sistema de almacenamiento térmico (TES) y establecen las ideas clave para continuar con futuras investigaciones sobre el tema.

Although most of power production is nowadays still produced using fossil fuels, the world has recently experienced an enthusiastic increase in renewable sources. Awareness of climate change due to CO2 and other pollutants, as well as wisely recognition that fossil fuels will eventually run out, might lead to a change in power grid distributions as we know it. Solar energy is one of the rapidest growing enforcements in the market. On this paper, we will focus our attention on Concentrated Solar Power (CSP), although there are considerably large guidelines for solar technology development. The limited coincidence between the solar resource and the load demand pattern could be a limiting factor for most solar. However, the growth of Thermal Energy Storage (TES) systems for CSP turns it into a partially dispatchable asset. Limited flexibility of solar is solved using TES, so as it enables CSP to produce power output after the sunrise-sunset interval. Our goal is to develop a simulation tool that permits an efficient schedule of the CSP with TES power output. Not only has it to represent the uncertainty and somehow capricious nature of the solar energy source, but also the interaction between the CSP and the rest of the grid. First of all, we have to collect the direct normal irradiation (DNI) data for a specific location of the CSP, and use clustering techniques to establish various patterns, so we can build the CSP model based on those groups. Then, aided by basic thermodynamic and electrical concepts, we will design a CSP model, so we can solve the optimization problem to maximize the power output produced. The research conclusions assure the correct operation of our simulation tool and provide key ideas on the relation between CSP along with their integrated systems.