Exergo-parametric analysis and off-design yearly modelling of a solar driven RCBC with S-CO2 as working fluid

Abstract

Given the increasing demand for energy and the challenges posed by climate change, the need for a clean, renewable and dispatchable source of energy is greater than ever. Chile has an outstanding solar potential and conditions in the northern region are apt for Concentrated Solar Power, among other solar technologies. Renewable sources of energy such as Solar and Wind have grown considerably worldwide and particularly in Chile. The effects of a high degree of penetration of such technologies on the energy matrix make the turn down capabilities of a power central one of its most important assets moving forward, in order to cancel out the consequence of the high variability that the aforementioned sources present. The present work proposes a yearly based, off-design model that describes the operation of two solar-driven Recompressed Closed Brayton cycles with supercritical carbon dioxide as working fluid. Solar irradiation and meteorological conditions from northern Chile are considered along with dispatch curves to assess the seasonal performance of the aforementioned solar driven cycles. The modelling approach for the power cycle and the yearly simulation are carried out using the Engineering Equation Solver software which considers the cycle’s heat input from the modelling of the solar field through the System Advisor Model software. The power cycle under design conditions delivers a net power output of 25 [MW] with a first law efficiency of 48.3%. The exergetic analysis finds the high temperature recuperator to be the component responsible for the greatest amount of exergy destruction under design point operation. The yearly simulation shows how this shifts to the Cooler under high ambient temperature and the turbine. The explanation behind this lies in how an increase in ambient temperature shifts the T-s diagram of the cycle resulting in greater temperature at the Cooler’s inlet, the increase in exergy destruction in the turbine corresponds to a decrease in isoentropic efficiency due to off-design operational conditions. The limited operational range for the cycle proposed in literature is determined and contrasted with the extended operational range for a new proposed configuration. Comparisons in cycle efficiency quantify the higher flexibility achieved by the proposed cycle and the synergistic turn-down strategy of throttling mass flow and high pressure. The seasonal efficiency for the literature cycle is 29% and for the proposed cycle it is 39%. The plant factor for the literature cycle assuming sufficient heat storage is 76.45% whilst for the proposed cycle it is 93.45%.

Dada la creciente demanda energética y los desafios presentados por el cambio climático, la necesidad de una fuente limpia, renovable y despachable de energía es mayor que nunca. Chile tiene un potencial solar excepcional y las condiciones en la región norte son aptas para la energía termosolar de concentración, entre otras tecnologías solares. Fuentes renovables de energía como la solar y la eólica han crecido considerablemente alrededor del mundo y particularmente en Chile. Los efectos de una alta penetración de dichas tecnologías en la matriz energética hacen de la capacidad de modulación de despacho de una central de potencia una de sus más importante cualidades en el futuro, en pos de compensar las consecuencias de la alta variablididad que presentan las tecnologias antes mencionadas. El presente trabajo propone un modelo anual que contempla operación en condiciones fuera de diseño y describe la operación de dos ciclos Brayton cerrados de recompresión alimentados por energía solar con dióxido de carbono supercrítico como fluido de trabajo. Se considera la irradiación solar y las condiciones meteorológicas del norte de Chile junto a curvas de despacho para evaluar el rendimiento estacional de los ciclos previamente mencionados. El modelamiento del ciclo de potencia y la simulación anual se llevan a cabo utilizando el software Engineering Equation Solver que considera la entrada de calor al ciclo a partir del modelamiento del campo solar a través del software System Advisor Model. El ciclo de potencia en condiciones de diseño entrega una potencia neta de 25 [MW] con una eficiencia de primera ley del 48.3 %. El análisis exergético identifica al recuperador de alta temperatura como el equipo responsable de la mayor cantidad de destrucción de exergía bajo condiciones de diseño. El modelamiento anual muestra como esto cambia al enfriador bajo condiciones de alta temperatura ambiente y la turbina. La explicacion se debe a como cambia el diagrama T-s del ciclo resultando en una mayor temperatura a la entrada del enfriador, el aumento en destrucción de exergía en la turbina se debe a una menor eficiencia isoentrópica debido a operación en condiciones fuera de diseño. El acotado rango operacional del ciclo presentado en la literatura es determinado y contrastado con el rango operacional extendido de una nueva configuración propuesta. La comparación de eficiencias entre los ciclos cuantifica la mayor flexibilidad lograda por la configuración propuesta y la sinergia entre la reducción de flujo másico y alta presión del ciclo como estrategia de modulación. La eficiencia estacional para el ciclo de la literatura es 29% y para el ciclo propuesto es de 39%. El factor de planta para el ciclo de la literatura, asumiendo suficiente almacenamiento térmico es 76.45%, mientras que para el ciclo propuesto es de 93.45%.