Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Heliostat Design
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.).
2014 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Heliostatkonstruktioner (Swedish)
Abstract [en]

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

Abstract [sv]

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

Place, publisher, year, edition, pages
2014. , 156 p.
Series
MMK 2014:03 MKN097
Keyword [en]
Solar Power, Heliostat, Thermal solar power, Solar Power Tower, Central Receiver System
Keyword [sv]
Solenergi, Heliostat, Termisk solenergi, Solar Power Tower, Tornsolkraftverk
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-157159OAI: oai:DiVA.org:kth-157159DiVA: diva2:769446
Supervisors
Examiners
Available from: 2014-12-08 Created: 2014-12-08

Open Access in DiVA

Heliostat Design(5547 kB)4884 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 5547 kBChecksum SHA-512
f477b7073a711cba13aebe66924a18642a59d65ede5d3923ba714ca56c3acfed9d63bc2d3553fb318ac174c71db0b25569b7b9b69d3f6d0521eef235f772fbbc
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Machine Design (Dept.)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 4886 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 655 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf