A heliostat is a motorized mirror used in a Solar Power Tower plant. The technology has been around since the 1970’s, and involves hundreds or thousands of heliostats reflecting the sun’s rays to the top of a high tower, where the incident solar energy is converted to heat energy, which in turn is used to drive steam turbines and produce electricity. Demonstration plants have been built in the U.S.A. and Spain, and a number of new facilities have been added since 2005. To achieve a commercial breakthrough, the technology must be made more efficient so that electricity can be produced at prices comparable with other options such as wind, photovoltaic, nuclear and coal. A critical component in the economics of the Solar Power Tower plant is the cost of the heliostat, which is estimated to account for approximately 50 % of the investment cost of the total plant. This report deals with the heliostat from a multifaceted perspective. Different design approaches are explained. First, mirror geometries, with manufacturing dimensions, for a rotation-symmetric paraboloid-shaped mirror-assembly are obtained for mirrors with different sizes with a Matlab code. Investigating wind loads are among the most important tasks in a heliostat development project, as large wind loads radically complicates the design work. A wind load calculation-method based on previous work by Sandia National Laboratories and finite element method (FEM) is used in this work to design heliostats to withstand expected wind loading. The design of the geometry and the structure to withstand wind loading is illustrated with two azimuth elevation heliostats (25 m 2 and 49 m2). Finally, a number of innovative technical solutions are suggested. These are a new mirror facet mounting technique, sliding bearings, elevation drive, and a very unique azimuth motor module, which uses steel wires as belts with an integrated brake. It is hoped that the results and designs presented in this thesis will be a good foundation for further research in the heliostat structures and heliostat controls at the Robotics lab in IISc and elsewhere. Keywords: Solar Power, Heliostat, Thermal solar power, Solar Power Tower, Central Receiver System / En heliostat är en motordriven spegel som används i tornsolkraftverk, kända som Solar Power Tower, även kallade Central Receiver system. Tekniken har funnits sedan 1970-talet och går ut på att hundratals eller tusentals heliostater speglar solstrålarna till toppen av ett högt torn, där stålningsenergin omvandlas till värmeenergi, som t.ex. kan användas till att driva ångturbiner och producera elektricitet. Demonstrationsanläggningar har byggts i bland annat USA och Spanien, och ett flertal nya installationer har tillkommit sedan år 2005. För att verkligen nå ett kommersiellt genombrott måste tekniken göras billigare så att solelen kan produceras till minst lika bra pris som andra alternativ, så som t.ex. solceller, kärnkraft och kolkraft. En kritisk komponent för tornsolkraftverkens ekonomi är kostnaden för heliostaterna, som beräknas stå för ungefär 50 % av anläggningens totala investeringskostnad. Den här rapporten avhandlar heliostaten ur ett mångfacetterat perspektiv där olika konstruktionsspår förklaras. Vidare behandlar rapporten spegelgeometrier, och en Matlab-kod som genererar tillverkningsmått för en rotationssymmetrisk paraboloidformad spegelyta finns bifogad. Att undersöka vindlaster är bland det viktigaste i ett heliostatutvecklingsprojekt, eftersom dessa är de dimensionerande lasterna för designarbetet. Här används en vindlastberäkningsmetod utgiven av Sandia National Laboratories, som kortfattat går ut på att man multiplicerar det dynamiska vindtrycket med en korrigeringsfaktor som baserats på emiriska studier av heliostatmodeller i vindtunnel. En dimensioneringsprocess för heliostater föreslås och utvecklingsgången för två Azimut-Elevation heliostater i storlek 25 m 2 resp. 49 m2 demonstreras. FEM-mjukvara nyttjas som det främsta verktyget för att dimensionera heliostatkonstruktioner som kan stå emot vindlasterna. Slutligen ges förslag på innovativa tekniska lösningar för spegelmontering, glidlager, montering av elevation-motorerna, och en unik azimut-motormodul, vilken använder stålvajrar som remmar och har en integrerad broms. Med all denna information bör Robotics Lab på IISc ha en god grund att stå på inför vidare forskning inom konstruktion och styrning av heliostater. Nyckelord: Solenergi, Heliostat, Termisk solenergi, Solar Power Tower, Tornsolkraftverk

This Master Thesis consisted in realizing a tool able to design, estimate the cost and calculate annual yields of a molten salt solar power tower. Such tool was made for a company providing CSP equipment and plant solutions for engineering, engineering and procurement or also EPC of a solar power tower. The Company wishes to propose competitive plant configurations presenting a good trade-off between cost and revenues. The Company can oversee the EPC of a whole power plant or/and supply some components of the molten salt cycle and of the water/steam cycle. The tool models a large scale solar power tower with a thermal energy storage system on EBSILON®Professional 12.04, a thermodynamic software.   When launching a simulation, the tool sizes the components of the molten salt cycle (design phase) according to user’s inputs, the other components have their characteristics based on a reference project. Depending on the size of the components, the total cost is determined and the revenues over a year of operation are calculated (annual performance). When performing several simulations with different configurations, the Company can judge about the economic viability of plant configurations by comparing their LCOEs and NPVs.   The present document describes the result of the Master Thesis, that is to say the tool itself, what it contains and how it works. The methodology adopted to design the components is presented in depth, the way costs were calculated is exposed. The document explains the annual performance calculations and the simple operation strategy implemented. Finally, a technical and cost validation was carried out but it would require some further work to be complete. The design and cost calculations are performed in few seconds, the annual calculations take around 2-3h.   One main contribution of the Master Thesis is to show that designing, estimating costs and calculating annual performances is feasible in a single tool operating at a high level of detail. Using the tool during a solar power tower project could considerably facilitate the current process in place at the Company. It can also allow to compare an important number of configurations to determine a good techno-economic solution. / Denna uppsats bestod i att genomföra ett verktyg som kan utforma, beräkna kostnaden och beräkna årliga avkastningar på ett smält salt soltorn. Ett sådant verktyg gjordes för ett företag inom soltornsteknik, upphandling och konstruktion (SUK) som vill föreslå konkurrenskraftiga anläggningskonfigurationer som presenterar en bra avvägning mellan kostnad och intäkter. Företaget, samtidigt som det övervakar SUK för en hel kraftverk, levererar det också vissa komponenter i den smälta saltcykeln. Verktyget modellerar ett storskaligt soltorn med ett värmeenergilagringssystem på EBSILON®Professional 12.04, en termodynamisk programvara.   När en simulering startas, ritar verktyget komponenterna i den smälta saltcykeln (designfas) enligt användarens inmatningar, de andra komponenterna är baserade på ett referensprojekt. Beroende på komponenternas storlek bestäms den totala kostnaden och intäkterna över ett verksamhetsår beräknas (årlig prestation). När flera simuleringar görs med olika konfigurationer kan företaget bedöma sin ekonomiska lönsamhet genom att jämföra sina LCOE och NPV.   Det här dokumentet beskriver resultatet av masterprojektet, det vill säga själva verktyget, vad det innehåller och hur det fungerar. Den metod som antagits för att designa komponenterna presenteras grundligt samt hur kostnaderna beräknades. Dokumentet förklarar de årliga prestationsberäkningarna och den enkla operationsstrategin som implementerats. Slutligen genomfördes en teknisk och kostnadsvalidering, men det skulle kräva ytterligare insats för att göra arbetet fullständigt. Konstruktionen och kostnadsberäkningarna utförs på få sekunder, de årliga beräkningarna tar cirka 2-3 timmar.   Ett huvudbidrag av examensarbetet är att visa att utformning, uppskattning av kostnader och beräkning av årliga prestanda är möjlig i ett enda verktyg som arbetar på en detaljrik nivå. Att använda verktyget under ett soltornsprojekt kan betydligt underlätta den nuvarande processen på plats hos företaget. Det kan också göra det möjligt att jämföra ett viktigt antal konfigurationer för att bestämma en bra tekno-ekonomisk lösning.

It is important for NEOM management in the contemporary world to put in place NEOM projects using the available resources. The region in which the NEOM project is spacious and vast with conditions suited to generate energy from solar and wind. The NEOM projectis expected to be set up in the very resourceful state of Saudi Arabia. The purpose of the study is to assist in setting up a sustainable city through the exploitation of solar and wind energy. The aim of the study was to assist in the generation of more than 10 GW renewable energy to replace approximately 80,000 barrels of fossil energy. The problem of coming up with renewable and sustainable energy from the unexploited sources is addressed. The renewable city is expected to be a technological hub based on Green Energy with 100% renewable energy, which is correspond to 72:4GW. Freiburg and Masdar as renewable cities are used as case studies in the research. NEOM power generation capacity is capable to cover Saudi Arabia power generation capacity (approximately 71GW), which is more than enough for a city. The study reveals that the total power generation from wind farms, tidal farms, solar stations, and solar power tower stations are 9:1373GW, 4:76GW, 57:398GW and 1:11GW respectively. Saudi Arabia has plans to set up 16 nuclear plants (17 GW each) for energy purposes (total of 272 GW), which will be part of Saudi Arabia national grid and will be more than enough to cover NEOM electricity demand in case NEOM does not reach demand capacity. In case NEOM energy does not meet the demand, electricity generation from 16 Nuclearpower plants generating 17GW each, and 6 Natural underground batteries with a capacity of 120MW each are recommended. The study results can be applied in NEOM Institute of Science and Technology for further research on renewable energy. The findings can also be used for research extension of HVDC transmission lines between NEOM and Saudi Arabia main grid, Egypt, and Jordan. / Det är viktigt för NEOM projektets ledning att planera och införa projektet med hjälp av förnybara energiresurser på plats. Regionen är rymligt och stort och är en lämplig plats för att kunna generera tillräcklig med energi från sol och vind för energiförsörjning av området. Syftet med studien är att studera en pågående planering och byggnation av en hållbar stad med upp till 10 GW förnybar energi som motsvarar cirka 80 000 fat fossil bränsle. Problem och utmaningar för att försörja en hel stad med förnybara energiresurser kommer att diskuteras. Den förnybara staden förväntas vara ett föredöme för 100% förnybar energi, vilket i kapacitetssammanhang motsvarar 72:4GW, vilket är mer tillräckligt än behovet för NEOM staden. Freiburg och Masdar städer används som fallstudier i examensarbetet. NEOMs kraftproduktionskapacitet kan täcka behovet av hela landet som uppgår till 71GW. Studien visar att den totala kraftproduktionskapaciteten från olika förnybara energiresurser såsom vindkraftparker, tidvattenanläggningar, solcellkraftverk och soltornskraftverk med en kapacitet av 9:1373GW,4:76GW, 57:398GW och 1:11GW respektive kan uppgå till 72:4GW. Saudiarabien har planer på att skaffa 16 kärnkraftverk (17GW vardera) med en total kapacitet på 272GW som kommer att ingå i Saudiarabiens nationella satsningar för framtidens elproduktion och det kan täcka elbehovet om NEOM inte når efterfrågekapaciteten. Utöver ovan har studien föreslagit 6 underjordiska batterier med en kapacitet på 120MW per batteri. Studieresultaten kan användas för kompetensuppbyggnad och vidare forskning om förnybara energiresurser för NEOM Institute of Science and Technology. Resultaten kan också användas för teknikutveckling och forskning inom HVDC- överföringsledningar mellan NEOM, Saudiarabiens huvudnät, Egypten och Jordanien.