Advances on the design of linear Fresnel solar concentrators

Abstract

The design of linear Fresnel solar concentrators poses a complex challenge due to the high number of decision variables and relatively few constraints. These characteristics define a multivariate problem with a multi-objective nature, where optical, thermal, and economic components are key factors to assessing overall performance, often involving trade-off relations. This thesis advances the understanding of this design problem by introducing meaningful simplifications that either reduce it to its simplest form or clarify how such simplifications affect performance. Rather than pursuing a single optimal solution, the developments presented here offer insights into a broader generalization of the design challenge. In this work, the adopted strategy involved decomposing the problem into smaller, more manageable, and targeted sub-problems, each addressed independently. Specifically, this thesis investigates: (i) the development of an optical method, surrogate to time-intensive ray-tracing simulations (Chapter 3); (ii) curvature design of primary mirrors, comparing different shapes (Chapter 4) and design approaches (Chapter 5); (iii) secondary optics design (Chapter 6); and (iv) the assessment of cost-effectiveness relations of optimal geometric configurations (Chapter 7). Although primarily aimed at the context of solar thermal electricity generation, in which an evacuated tube serves as the absorber element, the findings presented here may also be applicable to the context of applications comprising other types of absorbers; - Resumo: Avanços no desenho de concentradores solares do tipo Fresnel linear O desenho de concentradores solares de tipo Fresnel linear representa um problema complexo, devido ao elevado número de variáveis e ao número reduzido de restrições. Estas características definem um problema multivariado de natureza multiobjetiva, no qual fatores ópticos, térmicos e económicos são fundamentais para uma avaliação do desempenho global, frequentemente implicando compromissos entre estes fatores. Esta tese contribui para o avanço da compreensão deste problema de desenho, através da introdução de simplificações que ou o reduzem à sua forma mais simples ou clarificam o impacto dessas simplificações no desempenho. Em vez de determinar uma única solução ótima, os desenvolvimentos aqui apresentados oferecem perspetivas sobre uma generalização deste problema. A estratégia aqui adotada consistiu na decomposição em subproblemas, menores, mais geríveis e com objetivos mais claros, tratados de forma independente. Concretamente, esta tese investiga: (i) o desenvolvimento de um método óptico alternativo às simulações de traçado de raios, operações computacionais usualmente intensivas em tempo (Capítulo 3); (ii) a curvatura dos espelhos primários, comparando diferentes formas geométricas (Capítulo 4) e abordagens de cálculo (Capítulo 5); (iii) o desenho da óptica secundária (Capítulo 6); e (iv) a avaliação das relações de custo-benefício associadas às configurações geométricas óptimas (Capítulo 7). Embora o âmbito destes desenvolvimentos seja o contexto da produção de eletricidade por via solar térmica, o que implica no uso de um tubo evacuado como elemento absorvedor, os resultados aqui apresentados poderão também ser aplicáveis às utilizações que considerem outros tipos de absorvedores