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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-157159 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Björkman, Nils |
| Publisher | KTH, Maskinkonstruktion (Inst.) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | MMK 2014:03 MKN097 |
Page generated in 0.0029 seconds